К настоящему времени большинство людей уже знакомы с темной материей – этой таинственной субстанцией, которая обладает гравитацией, но в остальном, по-видимому, не взаимодействует с обычной материей, с которой мы больше всего знакомы. Около 27% вещества (материи и энергии) в известной Вселенной составляет темная материя, 68% – темная энергия, и только около 5% состоит из известных частиц (барионы – протоны, нейтроны; лептоны – электроны; и более экзотические частицы).
В настоящее время мы не знаем, что такое темная материя. Мы знаем, что она существует, потому что видим ее гравитационный эффект, который впервые был замечен, потому что галактики вращаются быстрее, чем должны. Основываясь только на силе притяжения, которую мы можем наблюдать, галактики должны разлетаться на части. Они держатся вместе, потому что гравитация значительно сильнее, чем мы можем себе представить. Должно быть, существует дополнительная материя, которую мы не можем увидеть, или темная материя.
Возможно, менее известно, что мы также не обнаружили и половины обычной материи, которая должна существовать во Вселенной. Даже если учесть, что эти 5% состоят из стандартных частиц, примерно половины из них не хватает. То есть до сих пор, если последние отчеты точны.
На самом деле это не было такой уж загадкой (не то что темная материя) – астрономы подозревали, что недостающая материя присутствует в виде рассеянного газа между галактиками. Снаружи очень много космоса, и даже тонкий пар может содержать множество частиц, столько же, сколько содержится во всех видимых галактиках. Проблема в том, что этот разреженный газ слишком тонкий, чтобы его можно было увидеть обычными средствами.
Однако две группы астрономов нашли способ обнаружить его. Две команды, одна из Института космической астрофизики (IAS) в Орсе, Франция, а другая из Эдинбургского университета, использовали данные со спутника Planck. Они также использовали явление, известное как эффект Сюняева-Зельдовича. Когда космическое фоновое излучение проходит через горячую плазму, оно, как правило, немного светлеет. Таким образом, мы можем получить изображение температуры CBR и использовать его для составления карты горячей плазмы во Вселенной.
Когда обе команды проделали это, они оба обнаружили, что существует горячая плазма в виде нитей, которые простираются между видимыми галактиками. Эти нити в 3-6 раз плотнее, чем фоновый газ во Вселенной, что добавляет в видимую вселенную достаточно вещества, чтобы восполнить недостающие 50% обычной материи.
Цитируются слова астрофизика Ральфа Крафта:
“Это во многом доказывает, что многие из наших представлений о том, как формируются галактики и какие структуры формируются на протяжении истории Вселенной, в значительной степени верны”.
По сути, астрономы в значительной степени знали, что этот материал существует, но это первые наблюдения, которые на самом деле это демонстрируют. Иногда новые открытия бросают вызов тому, что, по нашему мнению, мы знаем о Вселенной. А иногда открытия подтверждают то, что, как мы думали, мы знали. Первые, как правило, привлекают больше внимания средств массовой информации и общественности, но важно понимать, как развивается наука во всех ее аспектах.
Мне нравится рассматривать это как аналогию с головоломкой. Пытаться понять, как устроена Вселенная, или решить любой другой сложный научный вопрос – все равно что собирать пазл без какой-либо картинки, без каких-либо граней, или даже не зная, сколько в нем кусочков. Иногда, когда мы находим новый фрагмент, он вписывается в картину, которую мы выстраиваем. Но иногда фрагмент не подходит – это расширяет головоломку и показывает нам, что она больше и сложнее, чем мы думали ранее.
Это открытие помещает фрагмент в самую середину нашей головоломки о Вселенной, и в значительной степени именно туда, куда, по нашему мнению, он должен был попасть.
Это все еще оставляет 95% Вселенной загадкой. Темная энергия и темная материя определенно были фрагментами, которые не вписывались в известные рамки картины. Мы внезапно поняли, что изображение оказалось в 20 раз больше, чем мы думали.
Однако нам следует воздержаться от соблазна преувеличить значение таинственной природы темной материи и темной энергии. Часто те, кто хочет посеять сомнения (как в целом, так и в какой-то конкретной области науки), упрощенно предполагают, что, поскольку мы чего-то не знаем, это автоматически ставит под сомнение что-то еще, что, как мы думаем, мы знаем. Однако это не обязательно верно.
Можно обладать надежными научными знаниями в одной области, даже если другие области остаются неизвестными. Более того, можно быть уверенным в одном уровне знаний в области, даже если неизвестны более глубокие вопросы в этой же области.
Например, мы могли бы быть абсолютно уверены в том, что ДНК является основной молекулой наследственности, еще до того, как поняли, как она работает. Мы можем быть уверены в том, что люди и другие человекообразные обезьяны имели недавнего общего предка, даже до того, как мы полностью представим всю сложность нашей родословной.
Здесь аналогия с мозаикой не работает. По мере формирования картинки мы не просто добавляем новые кристально чистые фрагменты. Некоторые фрагменты и результирующие изображения, которые они содержат, размыты или имеют низкое разрешение. По мере развития науки картинка становится более четкой и детализированной. Мы увеличиваем изображение, а не просто добавляем фрагменты. (Таким образом, мы должны создать цифровую головоломку с отдельными фрагментами, которые могут различаться по разрешению и фокусу).
Так, например, когда вы смотрите на размытое изображение дерева с некоторым разрешением, вы можете быть совершенно уверены, что это на самом деле дерево и ничего больше, даже до того, как сможете разглядеть его достаточно подробно, чтобы понять, что это за дерево. Когда картина станет более ясной, возможно, в какой-то момент вы сможете сделать вывод, что это листопадное дерево, а затем, при более детальном рассмотрении, что это клен. Но существует еще много видов клена, и может быть неясно, какой именно. Однако незнание того, к какому виду относится это дерево, не ставит под сомнение, является ли оно деревом вообще.
Возвращаясь к текущей теме, отметим, что стандартная модель физики элементарных частиц чрезвычайно успешна, сделала множество высокоточных предсказаний и является очень полезной конструкцией для понимания обычной материи. Существование темной материи добавляет загадочности нашему пониманию Вселенной, но это не опровергает стандартную модель.
Отсутствие обычной материи было еще меньшей загадкой. В принципе, мы знали, что это есть и где это находится, нам просто нужно было разработать методику, позволяющую это увидеть, и мы это сделали. Еще несколько кусочков головоломки встали на свои места с приятным щелчком.
