Настоящие тайны в науке завораживают, и в них нет недостатка. Ученые любят тайны, потому что именно в этом заключается их работа.
Две самые большие научные загадки нашего поколения имеют схожие названия – темная материя и темная энергия. Их названия подразумевают неизвестность. На самом деле, это понятия-заменители, которые временно представляют то, чего мы не знаем. Однако мы медленно приближаемся к пониманию того, что это такое.
Темная энергия составляет около 70% массы/энергии Вселенной, в то время как темная материя составляет еще 25%, и только 5% приходится на обычную материю и энергию. Это означает, что в настоящее время мы не знаем, из чего состоят 95% Вселенной.
Фриц Цвикки впервые предположил существование темной материи в 1933 году, но его идеи не были приняты до 1970-х годов, когда они были возрождены двумя астрономами, Верой С. Рубин и У. Кентом Фордом-младшим. Гипотеза основана на наблюдении за тем, как вращаются галактики. Скорость их вращения зависит от количества содержащегося в них вещества – чем больше массы находится на орбите какой-либо конкретной звезды, тем быстрее эта звезда будет вращаться вокруг этой галактики. Таким образом, вы можете оценить количество массы в галактике, наблюдая, с какой скоростью движутся звезды.
Проблема в том, что, когда мы смотрим на галактики, звезды движутся быстрее, чем следовало бы для того количества вещества, которое мы можем видеть. Должно быть вещество, которое мы не можем видеть, – темная материя. Это наблюдение теперь подтверждено без всяких разумных сомнений.
Единственная другая возможность, которая была выдвинута, заключается в том, что законы гравитации – это не то, что мы думаем. Это понятие называется модифицированной ньютоновской динамикой, или MOND. Возможно, гравитация ведет себя по-другому в действительно больших масштабах, например, в галактиках. Это мнение меньшинства было, по сути, отвергнуто доказательствами.
Двумя ведущими претендентами на то, чем может быть темная материя, являются слабаки и мачо. Первое обозначает слабо взаимодействующую массивную частицу, а второе – массивный астрофизический компактный гало-объект. Они не являются конкретными, а просто описывают тип вещества, который мог бы объяснить темную материю.
WIMPs – это новый вид частиц, которые обладают массой, но в остальном практически не взаимодействуют с другой материей и, конечно, не испускают никакого заметного излучения. МАЧО могут быть обычной материей, такой как нейтронные звезды или черные дыры, просто материей, которую мы не можем непосредственно увидеть.
Недавнее обнаружение гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр означает, что черные дыры могут быть гораздо более распространены во Вселенной, чем мы думали. Не исключено, что черные дыры могли образоваться непосредственно из коллапсирующих облаков газа в ранней Вселенной, а не просто как остатки крупных звезд. Если это так, то все эти дополнительные черные дыры могут объяснить наличие значительного количества темной материи.
Другими словами, темная материя может быть не новым видом материи, а просто обычной материей, которую мы не можем увидеть и которая не предсказывается нашими текущими моделями Вселенной. Однако новые данные могут изменить эти модели и объяснить недостающую материю. Время покажет. Темная материя все еще находится в колонке “Неизвестное”, но у нас есть несколько интересных идей.
Темная энергия, на мой взгляд, гораздо более загадочна, чем темная материя. Опять же, это заполнитель для неизвестного, для чего-то, что должно существовать, но мы не знаем, что это такое.
В 1998 году две группы астрономов, наблюдая за вспышками сверхновых типа 1а, тщательно рассчитали скорость расширения Вселенной с течением времени. Преобладающей гипотезой было то, что Вселенная будет замедляться. Какую бы начальную скорость вселенная ни имела в момент большого взрыва, она будет постепенно замедляться из-за взаимного притяжения сил тяжести. Чего космологи не знали, так это того, будет ли вселенная просто асимптотически замедляться вечно или же она замедлится, остановится, а затем снова начнет сжиматься, что приведет к сильному сжатию.
Ответа, как оказалось, нет ни того, ни другого. К своему удивлению, астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это должно означать, что существует некая энергия, которая раздвигает вселенную на части, и эта энергия сильнее, чем сила притяжения. Мы понятия не имеем, что это может быть за энергия, отсюда и название – “темная” энергия.
Интересно, что, как и в случае с темной материей, некоторые ученые предположили, что расширение может быть вызвано изменением нашего понимания гравитации, в частности общей теории относительности, а не существованием новой силы.
Как объясняется в недавней научной статье:
В общей теории относительности, учитывая распределение массы и энергии, пространство-время искривляется, чтобы минимизировать свою кривизну, обозначаемую как R. Но в так называемых теориях f (R) (произносится как “эффект от действия”) пространство-время искривляется, чтобы минимизировать кривизну плюс некоторую дополнительную функцию кривизны. Это изменение создает дополнительную гравитационную силу, которая может либо притягивать, либо отталкивать при различных условиях.
По сути, они утверждают, что нам просто нужно ввести правильное значение для f(R) в уравнения общей теории относительности, и это приведет к силе отталкивания, которая объясняет ускорение Вселенной, без необходимости вводить темную энергию.
Как и все хорошие научные гипотезы, гипотеза f (R) дает иные предсказания о том, как должна выглядеть Вселенная, чем гипотеза темной энергии. Модифицированная гипотеза f(R) должна приводить к образованию более массивных скоплений галактик, чем темная энергия в ранней Вселенной.
Астрономы недавно провели наблюдения, используя метод, известный как слабое линзирование. Они изучают, как скопления галактик преломляют свет от более удаленных объектов. Используя этот метод для оценки массы и количества скоплений галактик, астрономы до сих пор находили цифры, более соответствующие темной энергии, чем модифицированный f(R).
Итак, на данный момент темная энергия остается главным претендентом на объяснение расширения Вселенной. Остается загадкой, что же такое темная энергия на самом деле.
Вывод
За последние несколько столетий наука добилась поразительных успехов в создании моделей, которые объясняют и предсказывают поведение Вселенной. Мы видим результаты этого успеха так часто, что считаем их само собой разумеющимися, как, например, недавняя успешная миссия к Плутону. Тот факт, что мы были вознаграждены получением крупных снимков далекого Плутона в высоком разрешении, свидетельствует об успехах химии, физики, астрономии и инженерного дела. Ни одно другое человеческое начинание не получило такого ошеломляющего подтверждения.
Временами этот успех заставляет людей прийти к выводу, что мы приближаемся к концу науки, когда на все важные вопросы будут даны ответы. Это было заявлено еще до того, как Эйнштейн полностью изменил наш взгляд на реальность.
В 1996 году журналист Scientific American Джон Хорган опубликовал книгу “Конец науки”. Это было за два года до открытия ускорения Вселенной и гипотезы о темной энергии.
Хорган все еще защищает свою диссертацию, написанную в 2015 году:
Так что, могу ли я взять свои слова обратно?
Черт возьми, нет.
…Теории Аристотеля были ошибочны, а наши теории верны. Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, и наш мир состоит не из земли, воды, огня и воздуха, а из водорода, углерода и других элементов, которые, в свою очередь, состоят из кварков и электронов.
Короче говоря, по его мнению, наука конечна. В какой-то момент мы должны достичь “пика науки” (это мой термин, а не его, насколько я знаю), и ученым останется расставить все точки над “i” и “т”, но не останется ничего особенного, что можно было бы открыть.
Это интересный вопрос – дойдем ли мы когда-нибудь до этой точки, или Вселенная настолько велика и сложна, что нашему невежеству нет предела? Ответ, скорее всего, будет разным в разных областях. Большие загадки биологии могут закончиться, пока мы не обнаружим жизнь на другой планете. Как только мы сможем путешествовать по разным системам, у нас, возможно, никогда не кончатся новые биологические возможности для изучения.
Физика – это другое. Я могу представить себе открытие всех сил и частиц, которые существуют в какой-то момент.
Другая точка зрения заключается в том, что Хорган прав и неправ. Некоторые из наших нынешних ответов настолько однозначны, что никогда не изменятся: Земля не плоская, ДНК несет наследственную информацию, континенты движутся, свет состоит из фотонов. Эти ответы останутся неизменными и через тысячу, и через миллион лет развития науки.
По мере развития наука больше не вносит революционных изменений, делая прежние знания неверными. Скорее, она прогрессирует, углубляя наши знания. Хорган отвергает это как детали, но я думаю, что такая точка зрения неверна. Более глубокое может быть более тонким в некоторых отношениях, но оно также может быть более фундаментальным в других. Как только мы узнаем, что представляют собой все существующие частицы, мы сможем начать исследовать, почему существуют именно эти частицы, а не другие. Разве это знание не было бы более глубоким?
Мы знаем все фундаментальные силы (вероятно), но мы не объединили их все. Объединяя силы, мы можем открыть нечто гораздо более фундаментальное о том, как устроена Вселенная.
Если рассматривать математику, общая теория относительности представляет собой тонкую модификацию ньютоновской механики. Концептуально, однако, это произвело революцию в нашем понимании реальности.
На данный момент я бы сказал, что гибель науки сильно преувеличена. По меньшей мере, это преждевременно. Хотя это интересный вопрос, я думаю, что также очень преждевременно делать вывод о том, закончится наука когда-нибудь или нет. По крайней мере, нам не нужно беспокоиться об этом, пока существуют такие загадки, как темная энергия и темная материя.
