Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса
Йостейн Рисер Кристиансен
Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса
Перевод с норвежского Евгении Ивановой
Художественное оформление серии Ильи Викторова
Йостейн Рисер Кристиансен (Jostein Riiser Kristiansen, р. 1981) защитил докторскую степень по астрофизике в Университете Осло и в настоящий момент является доцентом в Университетском колледже губернии Осло и Акарсхус, где и занимается исследованием Вселенной, преподает физику и математику. В 2014 году студенты колледжа вручили Кристиансену награду «Преподаватель года».
Йостейн нередко участвует в различных проектах в качестве эксперта в области астрономии. Он также является одним из основателей научно-популярного блога kollokvium.no и соавтором учебника «Физика для учителей» (Gyldendal, 2011).
* * *Для читателей, неравнодушных к загадкам природы
Астрономы любят темноту. Ночное темное небо — это наша лаборатория, наш объект исследования. Темная башня телескопа — это наше рабочее место. Любой искусственный свет мешает изучать слабое свечение космических тел. В эпоху химической фотографии — а многие еще помнят фотопленку и фотопластинки — мы работали в абсолютной темноте, на ощупь, чтобы не засветить чувствительную фотоэмульсию.
Очень любят астрономы темноту, но только если она не мешает, а помогает изучать небесные светила. Однако не всякая темнота помогает нам в этом. Темные облака космической пыли закрывают от нас многие уголки Галактики, оставляя их на долгие годы неисследованными. Луч света не проходит сквозь эти облака, и мы не видим, что находится за ними и внутри них. Поэтому такие черные пятна на звездном небе мы называем по-английски не black clouds (черные облака), a dark clouds (темные, загадочные, непонятные облака). Слово dark используется и в выражении dark side of the Moon, хотя все знают, что обратная сторона Луны вовсе не темнее видимой ее стороны, ведь на обеих бывают и день, и ночь. Но обратная сторона Луны веками оставалась загадочной, пока в 1959 году ее не сфотографировал наш космический зонд. В этот момент не стало одного из «темных» астрономических объектов, но вскоре ему на смену пришли другие.
В 1970-х стало окончательно ясно, что во Вселенной существует огромное количество вещества, обладающего гравитацией, но невидимого для телескопов любого типа — от рентгеновских до радио. Это невидимое вещество назвали по-английски dark matter. Оно до сих пор представляет загадку для ученых. Именно поэтому не black, a dark. По-русски мы называем его «темная материя», или «темное вещество», что точнее, поскольку материя — это все сущее, включая поля, а вещество — это частицы, которые можно остановить и взвесить. Армия физиков сейчас работает над тем, чтобы понять, что же такое это темное вещество. В книге об этом подробно рассказано.
Вторая и еще более загадочная сущность проявила себя в конце 1990-х, когда астрономы обнаружили, что наша Вселенная расширяется ускоренно. Источник этой расталкивающей антигравитационной силы назвали dark energy — «темная энергия». Природа этой энергии — наиболее серьезный вызов для современной физики, поскольку есть много теоретических идей, которые трудно пока проверить. А если вспомнить еще о черных дырах, с которыми тоже связано немало загадок, то можно сказать, что современные астрофизики в основном занимаются «темными делами».
Именно этим загадочным сущностям — темной материи и темной энергии — посвящена книга, которую вы взяли сейчас в руки. Советую вам не расставаться с ней, поскольку написана она профессионалом и предназначена для читателей, неравнодушных к загадкам природы. При этом от читателя не требуется глубоких знаний физики и астрономии — достаточно вспомнить кое-что из школьных курсов и с головой погрузиться в интересный рассказ о Вселенной.
Предисловие
Мне было, пожалуй, лет пятнадцать, и я только наткнулся на энциклопедию, в которой говорилось, что Солнце уже наполовину состарилось. Ему вроде бы пять миллиардов лет, а это половина жизненного цикла звезды. Через несколько дней я разглядывал ясное звездное небо. В тот момент наука впервые пошатнула веру в Бога. То было первое крупное осознание извне.
Цитата взята из книги бесед Альфа ван дер Хагена с Хьеллем Аскильдсеном. Читал я ее, как раз когда работал над последней частью моей первой книги. Я вдруг осознал, что размышления Аскильдсена под звездным небом, должно быть, характерны для многих. И речь совсем не о том, что людям свойственно отрекаться от веры, глядя на звезды, — для многих ситуация, скорее, обратная. Но думаю, среди нас немало тех, кого звездный небосвод заставляет задаваться экзистенциальными вопросами. Вселенная и мысли о том, что скрывается где-то в космосе, обостряют наше понимание природы и реальности. Захватывающие изображения огромных межзвездных туманностей, размышления о существовании жизни на других планетах, черные дыры и темная материя — все это оседает глубоко в нас и сразу же завораживает. Не раз я обращал внимание на то, как бесконечные клики удерживают новости астрономии на верхних строчках новостных интернет-ресурсов. Есть хоть одна другая ветвь науки, способная похвастаться такой же всеобщей заинтересованностью?
А за могущественной видимой Вселенной, которая ночами окутывает нас, скрывается нечто иное и гораздо более впечатляющее. Ведь большинство астрономов сегодня считает, что 95 процентов содержимого Вселенной невидимо. Все наблюдаемое нами в повседневной жизни и на красивых картинках с телескопа «Хаббл» составляет, вероятно, лишь пять процентов от того, что скрывается в космосе. Остальное же — темная материя и энергия, та часть реальности, которую мы только-только начали понимать. Именно этим 95 процентам невидимой Вселенной и посвящена эта книга.
Несомненно, 95 процентов Вселенной — тема серьезная. Но это далеко не учебник, и у меня не было цели охватить все технические детали и подробности наших знаний о невидимом космосе. Вместо этого я попытался уделить достаточно времени объяснению некоторых наиболее важных концепций. Моя целевая аудитория — читатели без предварительной подготовки, которым любопытна Вселенная, люди, забывшие многое из школьной программы естествознания и физики. А еще я надеюсь, что и учителям эта книга принесет пользу и удовольствие. Вселенная — это та тема, которой отводится порядочная часть школьной учебной программы, и наши знания о ней значительно расширились за последнюю пару десятилетий.
Я постарался сделать изложение материала не слишком тяжелым и недоступным. Значительная часть работы над книгой заключалась в избавлении от излишней информации. Моей целью было сохранить равновесие между базовой физикой и рассказами о людях, стоящих за историей и будущим астрономии. Как правило, в учебниках сперва приводится основная теория.
Я попробовал вести повествование о невидимой Вселенной в обратном порядке: сначала мы познакомимся со Вселенной и наблюдениями за ней. И поэтому я надеюсь, что, когда дело дойдет до разъяснения физических механизмов, на которых все основывается, вам хватит мотивации.
Книга намеренно написана неформальным языком. В некоторых случаях повседневное значение слова не совпадает с его научным значением. Тут я склонялся к первому варианту. Возьмем, например, слово «теория». В науке теория — это тщательно проверенное объяснение того, как устроена природа. Говоря о теории, в повседневной речи мы часто имеем в виду предположительное объяснение, которое может быть правдой, — то же самое, что в науке часто называют гипотезой. В книге я могу использовать слово «теория» в отношении того, что является лишь гипотезой просто потому, что «теория» — более привычное слово.