Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

На рисунке показано, сколько пятен разного размера есть на карте реликтового излучения. Точки показывают измерения, сделанные спутником «Планк», а линия, проходящая через точки, — теоретическая модель Вселенной, где темной материи в пять раз больше, чем обычной материи.
Когда дело касается темной материи, реликтовое излучение дополняет наблюдения за скоплениями галактик гравитационным линзированием, скоростями вращения спиральных галактик и так далее. Темная материя кажется необходимой независимо от того, смотрим ли мы на большие или маленькие структуры, на Вселенную в младенчестве или на Вселенную сегодня, на то, как движутся галактики, или на преломление света под действием гравитации. Из-за всех этих факторов становится чересчур сложно объяснить Вселенную, в которой мы живем, пренебрегая темной материей.
Тут я перестану приводить аргументы в пользу существования темной материи. Вместо этого лучше порассуждать о том, чем она может быть. А то как-то неловко получается: есть огромное количество некого вещества, о котором мы толком не в состоянии ничего сказать. Но мы же не опускаем руки, а значит, открытие может произойти в любой момент.
  
2.13. Так что же такое темная материя?
 
Позади нас долгий путь: мы посмотрели на галактики, скопления галактик и нечто большее. Теперь мы обратим внимание на мельчайшие кирпичики Вселенной — элементарные частицы. На сегодняшний день считается, что все в природе состоит из таких элементарных частиц. Если темная материя существует, то она тоже должна состоять именно из них.
В начале книги мы познакомились с ньютоновским яблоком из темной материи. Яблоко имело массу и взаимодействовало с гравитацией, но не сталкивалось с обычным веществом, из которого состоит Земля. При поиске частицы темной материи следует искать нечто, обладающее такими же свойствами: оно реагирует на гравитационные силы, но не сталкивается.
Что такое частица?
Когда мы используем слово «частица», легко подумать, что это что-то похожее на обычные частицы, такие, как те, что попадают в фильтр пылесоса, — нечто, понятное дело, маленькое, но все же видимое и с четко определенным внешним видом, если изучить их при помощи неплохого микроскопа. С элементарными частицами все не так просто. У них нет никакого четко определенного размера, контура или цвета. Например, нельзя назвать их маленькими шариками. Не получится даже указать точное место в комнате, где находится та или иная частица. Элементарная частица похожа на коробку, в которую упакованы определенные физические свойства. Электрон, например, представляет собой коробку, где хранятся определенная масса, заряд и некоторые другие свойства, о которых мы не говорили: свойства с загадочными названиями, такими как магнитный момент и квантово-механический спин. У электрона нет определенного размера или формы, но этот набор свойств одинаков у всех электронов.
Так что, когда говорят, что мир состоит из частиц, это означает, что мир состоит из таких коробок с очень специфическими комбинациями свойств. И это действительно забавно. Почему, например, у всех электронов одинаковая масса и одинаковый заряд? А если масса одного электрона или его заряд будут, скажем, на 2,31 процента больше, чем у другого электрона? Нет, так не пойдет. Если вы съели завтрак из элементарных частиц и хотите добавки, то возьмите еще один целый электрон. Разрезать элементарные частицы, как ломтик хлеба, не получится.
Когда физические величины входят в такие предопределенные порции, мы говорим, что размеры квантовые или что они квантованы. Вот почему физика, имеющая дело с этим странным микроскопическим миром, также называется квантовой физикой, или квантовой механикой. В квантовой физике, где частицы не имеют формы, происходят невероятные вещи, идущие вразрез с нашим макроскопическим мировосприятием. К некоторым из этих странных явлений мы еще вернемся, но прежде все же стоит познакомиться с темной энергией.
 
Стандартная модель физики элементарных частиц
Помните открытие мельчайшей частицы, бозона Хиггса? Ее открыли в 2012 году в физической лаборатории ЦЕРН вблизи Женевы через 50 лет после теоретического предсказания. Благодаря телевидению мы стали свидетелями того, как обычно скупые на эмоции физики аплодировали, плакали и не могли перестать обниматься. Такой энтузиазм больше присущ девочкам на концертах бойбэндов или футбольным фанатам в пабах после удачной игры. Не слишком ли много шума вокруг столь крохотной частицы? Бозон Хиггса стал последним недостающим фрагментом в замысловатой головоломке, которую мы называем Стандартной моделью физики элементарных частиц. И кстати, именно в последнее столетие большинство кусочков пазла как раз и оказались на своих местах.
Но раз головоломка решена, чем теперь займутся физики, изучавшие элементарные частицы? Смотрите, ученые так ликовали, понимая, что это только начало и открытие лишь позволит начать разглядывать первые нечеткие очертания новых головоломок. Возможно, где-то за пределами Стандартной модели найдутся один или несколько фрагментов, которые расскажут нам что-то о темной материи, — фрагменты, позволяющие вписать темную материю в уже существующую физику элементарных частиц. Но перед тем, как заглядывать за пределы Стандартной модели, не лучше ли сначала ознакомиться с существующей на сегодняшний день концепцией? И попробовать понять, что же она рассказывает нам о фундаментальных особенностях природы?
Стандартная модель рассказывает, из каких кирпичиков, а если быть точнее, элементарных частиц построен мир, а также каким образом эти кирпичики взаимодействуют друг с другом посредством различных сил природы. Количество кирпичиков ограничено, но, благодаря бесчисленным вариациям их сотрудничества, вокруг нас сформировалась такая многоуровневая реальность. Из элементарных частиц состоят, например, атомы, которые, в свою очередь, образуют молекулы. А все, что мы видим вокруг себя, состоит из атомов и молекул. Частицы в Стандартной модели вы увидите на рисунке.
Двенадцать частиц с левой стороны — это так называемые частицы вещества. Шесть верхних — кварки, а шесть нижних — лептоны. Пять частиц с правой стороны отвечают за энергообмен других частиц. А еще есть бозон Хиггса, который отвечает за инертную массу.
Частицы Стандартной модели. Мы не ожидаем, что эти элементарные частицы действительно имеют какой-либо размер или внешний вид. Поэтому можно развлечься, рисуя их так, как нам хочется. К этому рисунку, возможно, будет полезно вернуться, когда мы в конечном итоге представим различные частицы.
Широкой публике описанные выше частицы не особо известны. Уже неплохо, если человек знает, что такое электрон. Но электрону мы уже уделили достаточно внимания. Да и фотон у многих на слуху (это частица света, или электромагнитного излучения). И бозон Хиггса, которому так радовались физики. Но где, например, протон и нейтрон? И чем занимаются все остальные странные частицы, о которых мы никогда не слышим? В случае со Стандартной моделью нельзя сказать, что все частицы оказались на своих местах вследствие череды случайных находок, как засушенные растения в гербарии школьника. Каждая частица сначала появилась на своем законном месте в математической формулировке. А это означает, что подавляющее большинство элементарных частиц было теоретически предсказано задолго до практического доказательства в ходе экспериментов.
Вернемся к обзору частиц в Стандартной модели. Начнем с частиц вещества. Электрон — одна из них. Но большинство других частиц вещества в повседневной жизни не так уж часто встречаются. Мюон и частица тау во многих своих свойствах схожи с электроном, например, у них отрицательный заряд, зато больше масса. И мюон, и тау-частица за доли секунды превращаются в другие частицы и исчезают. Поэтому их называют нестабильными.