Без понятия . Путеводитель по неизвестной Вселенной

По мере роста наших научных возможностей растет и наша способность исследовать и понимать Вселенную. Однако остается еще множество вопросов без ответа и неразгаданных загадок. СМИ сообщают о значительных открытиях, но многие из этих открытий затрагивают вопросы, о которых большинство людей даже не подозревали. В своей книге Хорхе Чам и Дэниел Уайтсон освещают эти вопросы и объясняют, почему наука все еще не ответила на них. Цель книги — вселить в людей не разочарование, а восторг перед неизвестным. Она призвана продемонстрировать, что, несмотря на наши передовые знания, мы по-прежнему многого не понимаем, поэтому время великих открытий еще не прошло.

Идея 1. Человеческие знания и наука применимы к не более чем 5% Вселенной

Вопрос «Из чего состоит Вселенная?» вызывает любопытство не только у ученых. Однако на него нельзя ответить, пытаясь перечислить все, что содержит наша Вселенная. Материя состоит из атомов, которые состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из верхних кварков и нижних кварков. Также физики открыли дополнительные частицы, такие как нейтрино и другие тяжелые частицы, назначение которых неизвестно. Но главное — известная нам материя составляет лишь 5% Вселенной; остальное — это темная материя (27%) и темная энергия (68%), природа которых загадочна.

Количество темной материи во Вселенной значительно превосходит привычную материю, которую человечество изучало на протяжении веков. Несмотря на то что она невидима, о ее присутствии можно судить по нескольким фактам.

• Галактики вращаются быстрее, чем должны, исходя из их видимой массы. Это несоответствие позволяет предположить, что их удерживает вместе невидимая масса.
• Свет от далеких галактик искривляется. Этот эффект гравитационного линзирования указывает на наличие массивного невидимого объекта между наблюдателем и галактикой.
• Наблюдения за столкновениями галактик показывают, что в то время как обычная материя (газ и пыль) взаимодействует и замедляется, темная материя проходит сквозь них нетронутой, что говорит о том, что она не взаимодействует с помощью электромагнитных сил.

Обычная материя взаимодействует с помощью четырех фундаментальных сил:

• Гравитация: сила притяжения между объектами с массой.
• Электромагнетизм: сила между частицами с электрическим зарядом, который может быть притягивающим или отталкивающим. Эта сила отвечает за структурную целостность объектов, свет, электричество и магнетизм.
• Слабое взаимодействие: более слабая сила, чем электромагнетизм, участвующая во взаимодействиях частиц, таких как нейтрино. При высоких энергиях она объединяется с электромагнетизмом в электрослабое взаимодействие.
• Сильное взаимодействие: сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе в ядре атома.

Темная материя взаимодействует с гравитацией, но, похоже, не взаимодействует с тремя другими фундаментальными силами. Она не излучает, не поглощает и не отражает свет, поэтому ее трудно обнаружить. О ее существовании можно судить по гравитационному воздействию на видимую материю. Хотя темная материя составляет около 27% массы Вселенной, ее природа неизвестна. Ученые предполагают, что она может состоять из новых частиц, таких как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs).

Ученые применяют несколько подходов к изучению темной материи: эксперименты с использованием инертных газов, высокоэнергетические столкновения в ускорителях, изучение регионов с высокой концентрацией темной материи, таких как центр нашей галактики. Раскрытие загадки темной материи может произвести революцию в нашем понимании Вселенной, ученые могут обнаружить новые частицы, силы и взаимодействия.

Темная энергия — не меньшая загадка, чем темная материя. Она была обнаружена случайно, когда ученые измеряли скорость расширения Вселенной, ожидая, что она будет замедляться. Однако они обнаружили, что она, напротив, ускоряется. Это ускорение связано с действием темной энергии.

Ученые измеряют расширение Вселенной, наблюдая за скоростью, с которой галактики удаляются от нас. В расширяющейся Вселенной все удаляется от всего остального, подобно изюму в выпекающейся булочке. Чтобы понять, как меняется скорость расширения со временем, ученые сравнивают скорость галактик, удаляющихся от нас сейчас, с их скоростью миллиарды лет назад. Рассматривая свет от удаленных объектов, ученые могут заглянуть в прошлое. Используя эффект Доплера и «стандартные свечи» (вспышки сверхновых), они определили, что расширение Вселенной ускоряется, вопреки ожиданиям, что гравитация замедлит его. Это ускорение предполагает существование новой силы, движущей расширением. Эта загадочная сила, названная «темной энергией», ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной. И на нее приходится около 68% общей массы и энергии Вселенной. Она раздвигает все вокруг и заставляет расширяться само пространство.

Физики с впечатляющей точностью рассчитали пропорции обычной материи, темной материи и темной энергии во Вселенной, хотя природа темной материи и темной энергии остается неизвестной. Наиболее точные измерения получены с помощью космического микроволнового фона — «детского снимка» Вселенной. Наблюдения за сверхновыми помогают измерить скорость расширения Вселенной. Расчет необходимой темной энергии для соответствия этой скорости совпадает с пропорциями, обнаруженными при изучении космического микроволнового фона. Моделирование эволюции Вселенной от Большого взрыва до ее нынешнего состояния позволяет ученым сопоставить наблюдаемую структуру с теоретическими моделями, требующими одинаковых пропорций темной материи и темной энергии. Эти методы, хотя и основаны на разных принципах и наблюдениях, неизменно указывают на одни и те же пропорции.

Физики не до конца понимают, что такое темная энергия, но существует несколько теорий.