Discovery - Читать Статьи

Внутренняя вселенная

Рассказать друзьям

Человек - дитя космоса. Он живет по законам космоса, пытаясь изучить его и подчинить себе. Атомы, из которых состоит человек, когда-то были частью гигантских звезд. И все, что мы видим вокруг, имеет космическую природу. Стараясь понять связи микро- и макромира, мы пытаемся совместить несовместимое и постичь непостижимое.

Светлана САФОНОВА,
Геннадий ЧЕРНЫХ

В начале было слово? Или все-таки материя? Любое живое существо и неживую сущность можно разложить на частицы, ведь в природе ничто никуда не уходит бесследно. Закон сохранения энергии, выведенный из второго закона Ньютона, пока еще ни разу не давал сбоя. Беспрерывный круговорот вещества во Вселенной подчинен единому принципу: умирая, тот или иной объект дает жизнь другим структурам. Взрываясь в безмолвном космосе, сверхновые выбрасывают элементы, из которых они состоят, в бесконечное пространство, где из них формируются новые звезды. На Земле любое биологическое существо - человек, птица, растение, микроб - после окончания жизненного цикла дает питание и дарит жизнь другим созданиям. В нашем прошлом, настоящем и будущем мы находились, находимся и будем оставаться на перекрестке микро- и макромира, являясь мостиком, связывающим эти две фундаментальные сферы бытия. И наш пытливый ум давно стремится понять, что же появилось раньше - элементарные частицы или бесконечная Вселенная?

ВОПРОСЫ С ОТВЕТАМИ И БЕЗ
На территории знаменитого комплекса пирамид в Гизе, в одной из комнат, где древнеегипетские жрецы творили молитвы в честь фараонов, сохранилась иероглифическая надпись, которую можно перевести примерно так: «Люди погибнут от неумения пользоваться силами природы и от незнания истинного мира». Сегодня уже мало кто сомневается в том, что древние египтяне владели неким сверхзнанием, которое поглотили пески времени.
С древнейших времен человек задается вопросами, как, когда и почему во Вселенной зародилась жизнь. И пока эти принципиальные вопросы остаются без исчерпывающих ответов. Даже обладая сложнейшими технологиями, мощными телескопами в космосе и уникальными ускорителями элементарных частиц на Земле, мы по-прежнему можем лишь строить предположения. Остается подивиться прозорливости наших далеких предков, которые, опираясь только на эмпирические наблюдения за небом и звездами, пришли к тем же выводам, что и ученые Нового и Новейшего времени. Так, древнегреческий философ Левкипп, живший в V веке до н. э., был уверен, что светила на небе образуются из сплетений атомов, мельчайших частиц.
Но и Левкипп был не первым, кто выдвинул это предположение. Финикиец Мох, живший до Троянской войны, пришел к тому же выводу, написав, что во Вселенной есть Нечто, из частей чего (мы можем назвать их атомами) и состоит все в этом мире.
На протяжении человеческой истории картина мироустройства постоянно менялась, порой и вовсе переворачиваясь с ног на голову. Когда Николай Коперник заявил, что не Солнце вращается вокруг Земли, а наоборот, с ним очень многие были не согласны - но время доказало его правоту. И если Коперник, вопреки распространенному заблуждению, умер своей смертью, то другие «слишком умные» часто теряли голову (в прямом смысле) из-за своих открытий. Однако даже это обстоятельство не останавливало пытливые умы, которые смело разрушали сложившиеся стереотипы и концепции в поисках ответа на главный вопрос: как устроен мир?
Путь от большого к малому начался в тот момент, когда Галилео Галилей, экспериментируя с телескопом, обратил свой взор с неба на землю. Опыты с линзами позволили ученому познакомиться с невиданным доселе микромиром.

В математике и физике приставка «микро» эквивалентна умножению числа на 10-6. Во второй половине ХХ века микромир перестал быть прикладным понятием о малых величинах. С подачи философов и мыслителей физики стали говорить о том, что микромир - это не просто «очень маленькие объекты». Это мир объектов, живущих по своим законам, которые порой не соответствуют общеизвестным принципам мироздания.

Когда вы сидите в офисе и вдруг ваши обонятельные рецепторы начинают улавливать аромат апельсина, который ест ваш коллега, сидящий в другом конце комнаты, знайте - вы стали свидетелем действия древнейших законов космогонии. Предположение, что одни предметы могут воздействовать на другие на расстоянии, человечество интуитивно сделало еще в глубокой древности. Но найти объяснение не могли долго. Древнегреческий философ Демокрит, ученик уже упомянутого Левкиппа, сформулировал идею о том, что все сущее - и звезды, и планеты, и растения, и люди - состоит из мельчайших частиц, которые и определяют свойства объектов. Он полагал, в частности, что огонь обжигает потому, что его составные элементы имеют острые края, а атомы воды, наоборот, обладают округлой формой, которая и позволяет жидкости течь. Концепция выглядит наивной, но Демокрит понял главное: предметы состоят из разных атомов-кирпичиков, которые определяют различные физические свойства объектов. И даже больше - Демокрит был одним из первых, кто осмелился сказать: вся Вселенная - или, как называл ее сам философ, Большая пустота, - состоит из мелких частиц. Он учил своих последователей, что наполняющие Большую пустоту атомы живут сами по себе и находятся в вечном хаотичном движении. Истинный смысл этого изречения стал понятен лишь в XIX-XX веках, когда ученые начали постигать сущность микромира. Атомы, электроны, фотоны, бозоны - все законы их взаимодействия не разгаданы до сих пор.
Демокрит был не единственным, кто опередил время. Когда Аристотель на склоне лет заявил, что яблоко можно делить до бесконечности, подразумевая, что предела бесконечно малым частицам не существует, его слова никто не воспринимал всерьез. До тех пор, пока в 1897 году американский физик Джозеф Томсон не открыл электрон, отрицательно заряженную частицу, входящую в состав всех атомов. Физики были поражены необычными свойствами этих мельчайших частиц материи. Попытки описать и тем более объяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики потерпели полный провал. Поиски новых точек зрения и толкования привели к возникновению новой - квантовой - физики. Тогда понятие «микромир» и обрело свое, привычное нам сегодня, наполнение: мир, «населенный» элементарными частицами, ядрами, атомами и молекулами.
Впрочем, есть еще одно значение этого слова. Биологи называют микромиром царство простейших организмов. Именно они - первые живые существа, населившие нашу планету. И все они состоят из атомов, а те - из частиц.
У каждой из частиц есть свой жизненный цикл, во время которого она выполняет свою функцию. Дольше всех живут мюоны - пару миллионных долей секунды, остальные живут и того меньше. Но есть и несколько стабильных частиц, срок жизни которых бесконечно долог. На сегодняшний день экспериментально не удалось зафиксировать самораспада электронов и нейтрино.
Нейтрино - одна из самых необычных элементарных частиц. О гипотетическом существовании этого нейтрального лептона, участвующего только в слабом ядерном и электронном взаимодействиях, заговорили в 1930-е, когда вдруг оказался под сомнением закон сохранения энергии. Неожиданный разброс в энергии при бета-распаде (распаде ядерных частиц) Нильс Бор объяснял тем, что во время этого процесса закон сохранения энергии не действует, однако его коллега Вольфганг Паули предположил наличие в ядре атома неизвестной частицы, которая при распаде уносит часть энергии с собой. До конца не уверенный в своей правоте, Паули даже сделал заявление на научной конференции, сказав, что он «ввел в теорию нечто, что никогда не сможет быть проверено экспериментально». Однако спустя два десятилетия, в 1956 году, группа американских ученых во главе с Фредериком Райнесом экспериментально зафиксировала нейтрино.
Нейтрино, возможно, является самой распространенной частицей во Вселенной. На каждый нуклон (симбиоз нейтронов и протонов) приходится миллиард нейтрино, а некоторые из них, похоже, могут передвигаться со скоростью, превышающей скорость света. Эта гипотеза еще требует проверки, но если она подтвердится, то постулат, на котором стоит вся современная физика - ничто не может двигаться в вакууме со скоростью выше скорости света, - рассыплется, как карточный домик.
В хитросплетение связей между микро- и макромиром попадает и теория панспермии, о которой также говорили древние философы и которая в конце XIX - начале XX века получила поддержку ученого сообщества. Согласно этой теории, жизнь в виде простейших микробов и бактерий «прилетела» на Землю из космоса на кометах и метеоритах. Блуждая по бескрайним просторам Вселенной, микроорганизмы подвергались воздействию различных сил и, попав в благоприятную среду на Земле, за счет накопленной энергии стали усердно эволюционировать.
Выходит, что все мы - дети звезд. Прибыв когда-то на Землю из глубокого космоса, мы, обогащенные знаниями, полученными в результате эволюции, хотим туда вернуться, чтобы совершить качественно новый скачок в развитии. Неудивительно, что многих из нас в той или иной степени манит небо: мы хотим летать, подобно птицам, любим смотреть на звезды, размышляя о вечном, а в детстве мечтали быть космонавтами.
Американский ученый Эрик Роджерс однажды сказал: «Физика - это наука понимать природу». Микромир - слишком тонкая и сложная материя. Для ее изучения необходимы серьезные знания об устройстве Вселенной. Сегодня кажется, что микромир досконально обследован и люди научились на него воздействовать, но эта уверенность легко может оказаться иллюзией в свете предстоящих открытий в макромире, который человек пока еще робко осваивает.

ТЕМНАЯ ИСТОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Из тесной связи между микро- и макромиром два десятилетия назад родилась новая научная дисциплина - космомикрофизика. Ее задача - выяснить причину Большого взрыва, зарождения и начальной стадии эволюции Вселенной. И суметь описать его, основываясь на известных законах микромира и данных космических исследований.
Сейчас известно, что наша Вселенная постоянно расширяется. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл сделал удивительное открытие: большинство галактик смещается относительно нас, причем тем сильнее, чем дальше расположена галактика. В своих расчетах Хаббл основывался на наблюдениях за космологическим красным смещением (снижением частоты излучения) видимых галактик. Хаббл был не первым, кто заметил эту закономерность, но именно он дал ей исчерпывающее объяснение. Последующие исследования подтвердили: чем слабее гравитационные силы галактики, тем дальше она расположена от центра Вселенной и тем быстрее от него удаляется. Скорость движения галактик на периферии Вселенной достигает более половины скорости света.
Около 14 миллиардов лет назад произошло нечто экстраординарное - то, что мы называем Большим взрывом. За счет каких-то неизвестных механизмов Вселенная стала быстро расширяться. Через несколько минут после Большого взрыва начался период, продолжавшийся 380 тысяч лет, в течение которого сформировался нынешний химический состав Вселенной.

Доказательством расширения Вселенной является также наличие реликтового излучения, равномерно заполняющего все пространство. Это излучение было случайно открыто в 1964 году американскими учеными Робертом Вильсоном и Арно Пензиасом, проводившими радиоастрономические наблюдения с помощью специальной антенны. Проанализировав полученные результаты и отсеяв все возможные помехи, исследователи с удивлением обнаружили, что антенна ловит еще какой-то неизвестный шум. В какую бы сторону она ни была направлена, равномерный посторонний сигнал не пропадал и не изменялся. Вильсон и Пензиас долго ломали голову над тем, откуда он исходит, и даже грешили на неполадки внутри системы - антенну разбирали, прочищали и собирали заново, - но все было по-прежнему. В конце концов ученые пришли к выводу, что помехи идут из космоса, но не из нашей Галактики (в таком случае длина волны менялась бы), а из самых дальних просторов Вселенной. Так было обнаружено реликтовое излучение ранней Вселенной, имеющее температуру 3° по шкале Кельвина. За это открытие Вильсон и Пензиас были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.
Какими бы колоссальными размерами ни обладали галактики, все они в конечном счете состоят из элементарных частиц. Известные нам ядерные реакции - те же процессы, что проходят в глубоком космосе, в недрах звезд. Получается, что модель Большого взрыва увязывает микромир с макромиром - нынешним состоянием Вселенной. Впрочем, в конце ХХ века было сделано открытие, которое в значительной степени заставило ученых засомневаться в неоспоримости этой модели.

Тогда мир впервые заговорил о так называемых темной энергии и темной материи - двух субстанциях, составляющих до 96% плотности всей Вселенной (для сравнения: звезды, планеты, метеориты и кометы составляют всего 0,4%).
Ученые обнаружили, что Вселенная расширяется не с замедлением, как следовало бы предполагать по логике, а с ускорением. Одной из причин этого называют некий вид энергии (темной), обладающей неизвестными пока науке гравитационными свойствами. Она равномерно разлита по Вселенной, составляет до 74% ее объема и проникает во все области всех космических структур. Вероятно, темной энергии присуща антигравитация, однако доказать или опровергнуть это на современном этапе развития науки не представляется возможным - так как природа самой гравитации все еще остается загадкой.
Первопричиной антигравитации является так называемое отрицательное давление. Если на пальцах попытаться объяснить, что это такое, то на ум приходит надуваемый резиновый шарик. Нагнетаемый в замкнутое пространство воздух своим давлением растягивает стенки шарика, которые начинают испытывать давление, имеющее отрицательное значение по отношению к силам, вызывающим его расширение. Стенки шарика стремятся сжаться и сделают это при первой возможности.

Увидеть темную материю тоже пока невозможно - она не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с аналогичным излучением других объектов. Тем не менее по ряду косвенных признаков - таких как гравитационное искажение - можно определить места ее скопления.

Темная материя сродни обычному веществу - она способна собираться в сгустки (размером, скажем, со скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. То, что в космосе есть нечто, чего мы пока не можем понять, очевидно. Эта очевидно-неочевидная субстанция и носит имя темной материи. Рассчитывая массу той или иной галактики, ученые пришли к выводу, что, даже если сложить массу всех звезд, планет, метеоров, комет, газовых скоплений и других космических тел в галактике, в конечном счете ее вес сильно не дотягивает до гипотетической массы. «Недостачу» стоит искать в темной материи, которая, вероятно, выступает как некий «скрепляющий раствор» - ведь галактики вращаются с такой гигантской скоростью, что центробежные силы должны были давно разорвать их на части, чего, однако, не происходит.

НАШЕ ГАЛАКТИЧЕСКОЕ БУДУЩЕЕ
В попытках найти истину, которая, как всегда, «где-то рядом», ученый мир с надеждой смотрит на Большой адронный коллайдер (БАК). В нем, как ожидает научное сообщество, будут выделены частицы темной материи и обнаружен гипотетический бозон Хиггса, который отвечает за наличие массы у других частиц. Это позволит наконец разобраться, что же на самом деле представляет собой темная материя. В 2011 году в результате опытов на коллайдере были обнаружены неизвестные ранее распады мезонов - составных частиц, состоящих из кварков и антикварков, на примере которых можно наблюдать аномальные, на взгляд современной науки, превращения частиц в античастицы.
Нетерпение некоторых ученых было настолько велико, что они поспешили заявить, будто бозон Хиггса наконец-то обнаружен. Однако никакого развития эта сенсационная новость так и не получила.
Примерно в это же время команда американских исследователей, работающих на «конкурирующем» коллайдере Тэватрон, наблюдая за столкновениями протонов и антипротонов, обнаружила новую элементарную частицу - кси-барион. Ее существование было теоретически предсказано в рамках Стандартной модели элементарных частиц. Кроме того, проводя более тщательные анализы полученных результатов, физики обнаружили следы присутствия еще одной новой частицы. Не тот ли это бозон Хиггса, который иногда называют «частицей Бога»? Изучение всех предшествующих рождению частицы событий этого не подтверждает, но мы стали еще ближе к ответу на главные вопросы мироздания.
Еще одной задачей, поставленной перед БАКом, является обнаружение доказательств существования параллельных вселенных. По одной из теорий, высвободившаяся во время Большого взрыва энергия могла прорваться в другие измерения, в которых стали развиваться альтернативные миры и где, возможно, действуют иные законы физики. Аналогичная задача стоит и перед спутником Европейского космического агентства Planck, чья космическая миссия стартовала в 2009 году. Наблюдая за самыми отдаленными уголками Вселенной, Planck собирает информацию о реликтовом излучении и Большом взрыве.
Идея о возможности существования параллельных вселенных возникла не на пустом месте. 80 лет назад Эрвин Шрёдингер, один из отцов-основателей квантовой механики, ввел в обиход понятие «волновая функция». После этого научное сообщество стало с меньшим скепсисом относиться к казавшейся еще вчера фантастической идее о том, что наш мир существует не в четырех привычных измерениях, а в многомерном пространстве различных конфигураций.
Именно этим, как считается, можно объяснить эффект запутанности (или сцепленности) элементарных частиц, которые воздействуют друг на друга вне зависимости от их расположения и удаленности. То есть частицы влияют друг на друга без физического контакта, что на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Однако все мы слышали о телекинезе - способности одной силой мысли воздействовать на различные предметы. Явление телекинеза подтверждено, хотя и не имеет под собой никакой физической доказательной базы.
Спустя более века после того, как Эйнштейн озвучил свою общую теорию относительности, физики и философы совместными усилиями, кажется, преодолели противоречивые аргументации ученого-теоретика, касающиеся квантовой физики. По мнению преподавателя Колумбийского университета Дэвида Алберта и писательницы-футуролога Ривки Галчен, мы находимся на пороге невероятного открытия, которое только подчеркнет всю гениальность Эйнштейна. Вероятно, в конце концов окажется, что он ошибался там, где его считали правым, и был прав там, где все предполагали, что Эйнштейн заблуждается. И представления человечества о мире в очередной раз встанут с ног на голову.

Ключевых слов нет...

Рассказать друзьям