Концепции современного естествознания

собой полузамкнутые миры.

Допустим, что наша Вселенная является фридмоном. Если бы в этом случае путешественник, улетев с Земли, смог проникнуть через «горлышко» фридмоны наружу, он «...с удивлением обнаружил бы, что та вселенная, откуда он родом, представляется здесь микроскопическим объектом...

Это новое пространство также может оказаться почти замкнутым и снова связанным микроскопической горловиной со следующим пространством... В принципе такая повторяемость микроскопического и макроскопического может быть неограниченной...», – писал академик М.А. Марков.

Гипотеза о фридмонах, одним из которых может являться и наша Вселенная, расширила значительно наши представления о Вселенной в целом. В одной из своих последних работ член-корреспондент АН СССР

И.С. Шкловский предложил термин «Метавселенная». Метавселенная включает в себя все многообразие отдельных вселенных, подобно тому, как Метагалактика охватывает все наблюдаемые галактики.

Гипотетически пока фридмоны уводят человеческую мысль в такую даль, что захватывает дух. Мы, земляне, безуспешно вот уже которое десятилетие ищем собратьев по разуму. Но если Вселенная способна уместиться в элементарной частице, то мыслящих иномирян мы, возможно, буквально держим в руках. Эти бесчисленные миры трепещут и в каждом язычке пламени свечи, и в каждой клеточке нашего тела. Все эти миры живут полнокровной жизнью: в каждой ничтожной пылинке заключено несчетное множество миров, бесконечно большое число планет, населенных, возможно, разумными существами. И быть может, каждый акт рождения электрон-позитронной пары – акт рождения бесчисленного множества миров, а каждый акт аннигиляции – свидетельство их гибели?

Очень может быть, что наши размышления о бесконечности материального мира, скорее всего слишком прямолинейны. Почему бесконечную череду размеров мы представляем себе чем-то вроде прямой, уходящей, с одной стороны, в область исчезающих малых размеров (микромир), с другой – в область неограниченно больших (макромир)? Кто знает, не является ли бесконечность мира более похожей на круг, где поразительно малые величины как бы переходят, замыкаются на бескрайне большие?

351

скрытую массу, остальные же примерно 71% – на так называемую темную энергию. О составе скрытой массы мнения разделились. Некоторые ученные думают, что она состоит из массивных объектов, например черных дыр с массой, не превышающей солнечную. Такие черные дыры трудно обнаружить, даже если их относительно много. Другие ученые предполагают, что скрытая масса – это частицы неизвестного типа, практически не взаимодействующие с обычными протонами, электронами, фотонами и др. частицами.

Загадка скрытой массы уже давно волнует лучшие умы. Все началось с того, что в 1933 году американский астрофизик Фриц Цвики определил полную массу группы галактик, измерив их светимость. Иными словами, он подсчитал количество звезд в этой группе и полученное число умножил на среднюю массу звезды. Казалось бы, метод вполне надежный, однако другие способы, основанные на законе всемирного тяготения Ньютона, давали гораздо большую величину массы. В то время факт этот особого интереса не вызвал, и только спустя четыре десятка лет ученые поняли всю важность открытия, в результате сегодня скрытая масса является непременным атрибутом всех космологических моделей Вселенной.

До сих пор не ясно, что же именно находится в межзвездном пространстве, хотя масса этого «чего-то» примерно в десять раз больше суммарной массы всех звезд. И решение этой загадки, несомненно, будет крупнейшим открытием, которое может произойти в любой момент. Единственное, что выдает сегодня скрытую массу, – гравитация. Именно гравитационное поле, влияя на движение звезд в галактиках, позволяет определить долю невидимой материи среди космического вещества.

Для того чтобы искать, прежде нужно определить, где и что. С тем, «что» именно искать, более или менее понятно – это некая материя, которая проявляет себя только своей гравитацией. А вот «где» ее искать и какие пространственные размеры она занимает – далеко не очевидно. Как она распределена по Вселенной? Расположена ли она в галактиках или равномерно разбросана по всему пространству? С одной стороны, долю скрытой массы в галактике можно определить по поведению звезд. С другой – ситуация несколько осложняется тем, что именно скрытая масса диктует видимой материи «правила игры», а не наоборот. Это и понятно – ее намного больше, а кто больше, тот, как обычно, и прав…

Скрытая масса способна концентрироваться там, где видимая материя отсутствует. Удивительно, но и эту скрытую часть удалось определить.

Интересно сравнить полную скрытую массу во Вселенной и массу ее видимой части, в основном звезд. Диаметр видимой части Вселенной составляет примерно 3 · 1026 м. (10000 мегапарсек, или 30 млрд. световых

353

лет). Большая часть видимой материи уже собралась в галактики и, чтобы определить массу Вселенной, надо «всего лишь» измерить массы всех галактик, которых приблизительно 1011 штук и в каждой сверкает по нескольку миллиардов звезд. В результате получаем примерно 1052 кг – такова масса всех звезд в видимой части Вселенной. Напомним, что наше Солнце имеет массу всего 2 · 1030 кг. Поскольку темной материи в 10 раз

больше, чем видимой, то недоучтенными до последнего времени были около 1053кг…

Современная наука настолько сложна, что бессистемные поиски «че- го-то новенького» заведомо обречены на неудачу. Чтобы добиться успеха, нужно иметь хоть какое-то представление о том, что ищешь, необходима теоретическая модель, правильность которой проверяется экспериментально. Предполагаемых носителей скрытой массы не так уж и мало, но их можно разделить на две основные категории: астрономические объекты (МАСНОs – Массивные Астрофизические Компактные Гало Объекты) и элементарные частицы (WIMPs – Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы).

MACHOs – это действительно массивные объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. WIMPs – это гипотетические частицы, которые практически не взаимодействуют с привычной нам материей. Астрономам близка идея MACHOs, в то время как физикам, занимающимся микромиром, больше нравится идея WIMPs, что естественно. Рассмотрим же более детально, что представляют собой эти два основных класса. Эти массивные объекты практически не должны светиться, в противном случае их бы давно увидели. Кандидатами на роль MACHOs являются черные дыры, нейтронные звезды, коричневые, или, более точно, темные, карлики (brown dwarts) и, возможно, белые.

Черные дыры – вполне достойные претенденты. Их существование предсказывается теорией, а некоторые из них уже обнаружены. Но определенная осторожность все же необходима. Во-первых, они не должны быть очень массивными, иначе излучение от падающего на них вещества выдаст их с головой. Во-вторых, их должно быть много, чтобы суммарная масса была примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд. И в-третьих, «маленьких» черных дыр с массой меньше, чем 1012 кг, должно быть не слишком много, иначе наша Вселенная была бы совершенно другой. Однако современные ученые пока не располагают конкретными данными о количестве и массе черных дыр даже в нашей Галактике, не говоря уже о всей Вселенной.

Темные карлики – это не сказочные тролли, а плотные сгустки обычной материи, в основном водорода, с массой, значительно меньшей сол-

354

нечной. Их собственные гравитационные поля позволяют им существовать, не распадаясь. Однако эти поля слишком слабы, чтобы создать высокое давление и инициировать термоядерные реакции. Свет от звезд – это не что иное, как фотоны, испускаемые сильно нагретым газом. Тепло для нагрева поступает от ядерных реакций, поэтому светимость темных карликов слишком мала, и они могут легко ускользать от внимания астрономов.

Если говорить о нейтронных звездах, то в данном случае интересны старые их представители, которые практически не излучают энергию. Это как раз тот случай, когда молодые не требуются. Другое дело, откуда они могли в таком количестве взяться и когда успели состариться?

Если MACOs практически не светятся, то можно ли их обнаружить вообще? Современные научные методы и техника позволяют это сделать. Так, с введением в строй телескопа Hubble, наблюдающего мир не только в видимых, но и в инфракрасных лучах, астрономам удалось обнаружить много темных карликов как в нашей, так и в соседних галактиках. Но их оказалось всего 6% от общей массы галактического гало! Может быть, дальнейшие исследования увеличат эту цифру.

Искажения картины звездного неба, вызванные действием скрытой массы, проанализировали Дэвид Уитмен, Энтони Тайсон и Дэвид Керкман (Лаборатории Белл), Ян Дельантонио (Национальная обсерватория оптической астрономии и Университет Брауна) и Чэри Бернстейн (Мичиганский университет). Они использовали 4-метровый телескоп Blanco (Чили) и цифровую обработку изображений. Одним из препятствий в работе было то, что изображение галактики изменяется не только из-за влияния скрытой массы, но и при прохождении через атмосферу Земли. Да и сами оптические приборы вносят небольшие искажения. Но ученые нашли выход. Изображения от ближайших звезд изменяются атмосферой и приборами точно так же, как и далекие галактики, а вот влиянию удаленной скрытой массы они не подвержены. На основе нескольких тысяч совместных измерений близких звезд и далеких галактик ученые научились отделять «зерна от плевел» и получили желаемый результат. Были проанализированы изображения 145000 очень далеких галактик для того, чтобы найти эффекты искажения, создаваемые скрытой массой. На основе этих данных было восстановлено расположение скрытой массы на больших межгалактических масштабах.

Существует и другой способ обнаружения MACHOs, опять же связанный с их гравитационным полем. Если астроном обнаруживает, что некоторая звезда вращается вокруг «чего-то невидимого», то совершенно ясно, что обнаружен MACHOs. Именно он создает гравитационное поле, в

355

котором и движется его более яркая соседка – звезда. Кроме того, определив радиус орбиты и скорость вращения (например, при помощи того же доплеровского эффекта), можно найти массу данного объекта.

Другой путь объяснения недостающей массы выбрали физики, изучающие элементарные частицы. Они предположили, что галактическое пространство заполнено частицами особого вида. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей.

Почему же мы их не видим и почему эти частицы не собираются в плотные объекты типа темных карликов? Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs.

Если эти частицы существуют, то они заполняют всю нашу Галактику

инепрерывно пронизывают Землю. От обычных частиц, прилетающих из Космоса, нас спасает атмосфера, которая поглощает даже наиболее энергетичных представителей. Но WIMPs не взаимодействуют с обычной ма-

терией и, следовательно, не задерживается атмосферой. Каждую секунду нас, возможно, пронизывает примерно 1014 этих частиц, к счастью, не влияющих на молекулы нашего тела, поэтому, мы их просто не замечаем,

иони пролетают сквозь нас, не оставляя никакого следа.

Надежда обнаружить WIMPs основана на том, что возможно, они всетаки взаимодействуют с обычными частицами. Пусть вероятность столкновения крайне мала, но если собрать много обычных частиц вместе, то, возможно, с кем-нибудь эта неуловимая WIMPs да «провзаимодействует». Ведь их должно быть очень много, и если подольше подождать, то столкновение произойдет. Конечно, подавляющее большинство таких частиц пролетит незамеченным не только сквозь материал, но и сквозь Землю, но, возможно, отдельные WIMPs – неудачники все-таки столкнутся с атомами материала мишени.

Так, проект профессора Бернарда Садулета и Уолтера Стокуэлла (из Калифорнийского университета Беркли) предусматривает охлаждение большого куска кристаллического материала почти до абсолютного нуля температур. Если через такой кристалл будут пролетать мириады WIMPs, то когда-нибудь они провзаимодействуют с материалом кристалла. Ожидается, что небольшое тепло, которое выделится при столкновении, будет зафиксировано приборами, что и докажет существование WIMPs.

Очевидно, что, чем больше кристалл, тем больше в нем атомов и тем быстрее произойдет желаемое событие. Поэтому проект нейтринного

356

подледного телескома AMANDA предполагает использование антарктического льда в качестве кристалла – мишени. Детекторы будут помещены глубоко в толщу льда, что сильно увеличит общий размер мишени и, значит, число столкновений. Но за все приходится платить – температура такой мишени, конечно же, не может быть сильно понижена, а значит, чувствительность всей системы будет хуже.

Скрытая масса может, вообще говоря, существовать в двух формах – «горячей» и «холодной». Под холодной скрытой массой (cold dark matter) понимаются такие WIMPs, которые движутся с нерелятивистскими скоростями (то есть много меньшими, чем скорость света). В распоряжении физиков имеется несколько таких частиц – кандидатов на WIMPs, и все они объединены одним недостатком – существуют лишь в теории. Возможно, это нейтралино – тяжелая частица, которая просто обязана существовать как считают многие физики. А может, и аксион – частица с чрезвычайно малой массой.

Горячая скрытая масса (hot dark matter) – это частицы которые движутся со скоростями, близкими к скорости света. Их масса так мала, что они оставались релятивистскими достаточно долго в процесса формирования Вселенной, пока ее температура не упала до нескольких сот градусов Кельвина. Как показывают расчеты, масса таких частиц должна быть меньше 100 электронвольт. Это значит, что она по крайней мере в 5000 раз легче электрона. Подходящим кандидатом на эту роль являются нейтрино. Со времен своего открытия нейтрино считались без массовыми. Но прошло время, семья нейтрино выросла (их теперь 3 вида) и «приобрела вес» (недавно было доказано, что по крайней мере 1 из 3 видов нейтрино обладает ненулевой массой). И, наконец, оно действительно крайне слабо взаимодействует с другими частицами. Концентрация нейтрино в космосе составляет примерно 100 штук в кубическом сантиметре, и они вполне могли бы играть роль скрытой массы. К сожалению, модель горячей скрытой массы сталкивается с трудностями при объяснении того, как облака таких нейтрино сжимаются в более плотные объекты, поскольку все, что быстро двигается, в кучу собирается плохо…

Но вернемся к холодной скрытой массе. Поскольку WIMPs имеют большую массу, они еще на ранних стадиях развития Вселенной становятся нерелятивистскими и начинают образовывать отдельные облака. Гравитационное поле сжимает скрытую массу и, что более важно, притягивает барионы – протоны и нейтроны – обычное вещество, из которого состоит видимый нами мир. Поэтому галактики формируются довольно рано, что соответствует наблюдениям. Действительно, всегда через миллиард лет после Большого взрыва галактики уже существовали. Это было

357

бы трудно объяснить, имея в своем распоряжении только барионы. Обрадованные успехом, астрофизики решили просчитать дальнейшую эволюцию этих облаков, состоящих преимущественно из скрытой массы. И тут их ждало разочарование. Со временем эти облака должны были образовать гораздо более мелкие и плотные сгустки. Наблюдения же говорят, что их просто нет! И вообще, распределение скрытой массы в кластерах галактик не соответствует расчетному. Тем не менее модель холодной скрытой массы, похоже, гораздо ближе к истине, чем модель горячей скрытой массы.

Возможно, если учесть все эффекты, то наблюдаемые данные и расчеты придут к согласию, считают одни ученые. Другие же полагают, что разногласий слишком много и надо что-то существенно менять. Неопределенность в свойствах WIMPs позволяет делать различные предположения об их свойствах, чтобы получить разумное согласие с наблюдениями. Так Штейнгард (Steinhardt) и Спергель (Spergel) из Принстонского университета предположили, что эти частицы, хотя и «не видят» обычную материю, очень хорошо взаимодействуют друг с другом. Их интенсивные столкновения делают облака этих частиц более рыхлыми. Впрочем, последние наблюдения обсерватории «Чандра» ставят под сомнение и эту модель.

Некоторые ученые считают, что если некое явление существует, но не имеет объяснения с точки зрения современной науки, то это ставит под сомнение как саму космологию, так и большинство ее выводов. Возможно, это слишком сильное утверждение, но свойства скрытой массы действительно важны для понимания процессов, протекающих в нашей Вселенной. Например, если Вселенная с самого начала после большого взрыва расширялась равномерно во все стороны, то непонятно, почему отдельные ее части стали конденсироваться и, затем превращаться в галактики и звезды. Существует несколько моделей формирования галактики, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.

Скрытая масса является в каком-то смысле и философской категорией. Так, например, профессор Бернард Садулейт, директор Центра астрофизических исследований частиц Калифорнийского университета в Беркли, писал в своей статье, вышедшей в «Нью-Йорк Таймс»: «Это продолжение мировоззренческой революции Коперника. Теперь мы уже не только не в центре Вселенной, но и состоим из особого вещества, которое является лишь небольшой добавкой к основному компоненту Вселенной»…

358

A PROPOS (фр.) – кстати

Некоторые землетрясения можно объяснить как результат столкновения с кварками. Обычные землетрясения возникают в основном из-за столкновения материковых плит, медленно наползающих одна на другую и создающих напряжение, которые время от времени должны разряжаться в подземных толчках. Однако Юджин Геррин, американский физик из университета города Далласа и его коллеги считают, что некоторые сотрясения земной коры происходят от внешних очень странных причин: по мнению этих исследователей, время от времени нашу планету пронизывают сгустки кварков – сверхплотные микроскопления этих час-

тиц общей массой порядка 1 т.

От обычных землетрясений, имеющих точечный очаг, такие должны отличаться линейным очагом: сейсмические волны должны идти не от точки, а от линии, по которой эта сверхплотная пуля со скоростью многих сотен метров в секунду пронизала Землю.

Физики проанализировали около 1 миллиона сейсмограмм, записанных множеством сейсмостанций с 1990 по 1999 г., выискивая сотрясение земной коры, шедшие не из одной точки, а от протяженной линии. Они обнаружили два таких события. По расчетам выходит что 22 октября 1993 года невидимая пуля вошла в планету около Земли Элсуетра (остров в Антарктиде) и через некоторое время вышла к югу от Индии. Запись этого явления сделали семь сейсмостанций региона. Всего через несколько недель 24 ноября, второй подобный снаряд врезался в волны Тихого океана опять же около Антарктиды и через 19 с. вылетел из Земли близ Австралии. Сотрясения от этого полета были записаны девятью станциями. Траектории удалось установить именно потому, что записи шли со многих точек.

Геррин и его сотрудники считают, что такие линейные землетрясения вызываются пролетом скоплений так называемого странного кваркового вещества, крайне массивных частиц, состоящих из верхних, нижних и странных кварков. Сгустки странного вещества могли остаться после Большого взрыва, в котором родилась наша Вселенная. Такое образование диаметром с человеческий эритроцит имеет массу легкового автомобиля и летит со сверхзвуковой скоростью. Подобного рода космические пули до сих пор предсказывались теорией выдвинутой в 1984 году, но не было доказательств реального их существования. По мнению авторов исследования, только эта гипотеза объясняет скорость, форму и другие особенности ударных волн, записанных сейсмостанциями.

Геофизики рассчитали, что общая энергия, выделяемая сгустком странного вещества при пролете через Землю, соответствует взрыву че-

359

тырех тысяч тонн тротила. В основном она выделяется в виде тепла, так что вызвать землетрясение сильнее 4 баллов космические пули вряд ли могут. Но вот о том, что будет, если такая штучка пролетит через человека, физики пока умалчивают. Впрочем, похоже, что подобные события очень редки: найдено всего три подозрительных случаев за 9 лет. Это намного реже падений обычных метеоритов.

7.8. Теория «червячных дыр»

Если бы Бог держал в своей правой руке всю истину, а в левой – только вечное стремление ее отыскать, с условием, что при этом всегда будут неизбежные ошибки, и сказал бы мне: «Выбирай!», я бы смиренно указал бы на левую руку и сказал бы: «Создатель!» Отдай мне то, что находится в этой руке; абсолютная истина существует лишь для одного тебя».

Готхольд Эфроим

Представьте себе шар, по поверхности которого ползают все те же плоскостники-двухмерники. Понятно, что для того, чтобы попасть из точки А в точку В на поверхности шара, они должны преодолеть некий путь по дуге.

И вот некий гений местного масштаба однажды все-таки сумел сообразить не только то, что движение по поверхности шара происходит по дуге, но и то, как этот путь можно спрямить.

По аналогии на яблоке поселился червяк. Вместо того чтобы передвигаться из одной точки в другую по поверхности яблока, он просто прогрызет ходы-червоточины. Так путь по дуге превращается в более короткий путь по хорде.

Оказывается, подобные «червоточины» вполне могут существовать и в окружающей нас вселенной. Чтобы понять, как это может быть, давайте несколько отступим по времени назад и расположим события в их логической последовательности.

Как известно, суть гравитации, открытой И. Ньютоном в 1687 году, заключается в том, что два тела, обладающих некой массой, испытывают взаимное притяжение. Сила притяжения зависит от расстояния между телами. А это, в свою очередь, позволяет выдвинуть следующее предположение: если одно из тел меняет свое положение, меняется и сила притяжения, которое оно оказывает на другое тело [47, 48].

Причем гравитационные эффекты протекают со скоростью, значительно большей, чем скорость света. Это на сегодняшний день известно точно: если солнечный луч движется к нам 8 мин, то стоит Солнцу чуть изменить свое положение, как Земля чувствует изменение гравитационно-

360