Читаем Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса онлайн бесплатно

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).

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.

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.

При популяризации науки приходится постоянно искать компромисс между по-научному точным и не слишком нудным объяснениями. Во многих случаях некоторые чересчур сложные детали я опускаю. Тем не менее я уделяю большое внимание научной точности написанного. Я потратил много времени на ознакомление с профессиональными статьями — как старыми, так и новыми, чтобы подвести под свои слова прочный фундамент.

Ссылки и комментарии я решил собрать в общей системе заметок: хочу, чтобы текст выглядел целостным для тех, кто не хочет копаться во всех тонкостях. Когда я обращаюсь к примечанию в связи с конкретным результатом исследования, то почти всегда привожу ссылку на профессиональную статью, требующую солидных предварительных знаний. В иных же случаях я ссылаюсь на примечания в более общей части текста. Затем примечание часто содержит уточнение или ссылку на более доступный, популярный текст по теме. Когда я указываю URL-адреса, то это почти всегда тексты, которые можно бесплатно почитать в интернете.

Настало время для благодарностей. Эта книга вряд ли увидела бы свет без финансирования Норвежской ассоциацией писателей и переводчиков документальной прозы. Спасибо вам за поощрение популяризации науки. Огромное спасибо моему брату Ларсу Бьерке, а еще Эллен Метте Бернтсен и Тронду Эйднесу за неоценимый вклад в первые наброски сценария. Вы сделали эту книгу лучше. Спасибо Николасу Гренебуму за нелишнюю помощь и глупые шутки. Бару Polar за помощь в организации приятных перерывов. Редактор Кристин Лиллетведт Стрем и профессиональный консультант Ойстейн Элгарой внесли немало полезных комментариев и исправлений. За все оставшиеся в книге ошибки несу ответственность исключительно я.

Теперь полагается сказать, что работа над книгой не мешала моей семье. Но это было бы ложью. Большое спасибо за вашу поддержку и огромное терпение! Я люблю вас.

Поздняя осень, ясная погода, ночь. Вы высоко в горах. Назойливые огни города слишком далеко, а Луну не видно за горизонтом. Свет исходит лишь от звезд над вами — нескольких тысяч крошечных светящихся точек. Их свет слишком слабенький — даже зубную щетку не разглядеть, и кажется, что слова Яна Тейгена о тепле звезд на самом деле бессмысленны. Но не дайте этому скромному свету вас обмануть. Вы ведь знаете, что эти точки — далекие солнца, а многие из них еще и гораздо больше нашего. Да и Солнце совсем не маленькое: в него поместился бы миллион таких планет, как Земля, а его поверхность раскалена до нескольких тысяч градусов.

На востоке низко над горизонтом вы заметите созвездие Орион. Звезда на плече Ориона — Бетельгейзе — выделяется ярким красным свечением. Звезды типа Бетельгейзе называются красными сверхгигантами. Она настолько огромна, что вместила бы три миллиарда наших солнц. Но, несмотря на невероятные размеры, из-за большого расстояния не стоит ждать от Бетельгейзе тепла.

За Бетельгейзе и другими звездами можно разглядеть белую туманную полосу, растянувшуюся по небу, — Млечный Путь.

^{Все звезды, которые мы видим по ночам, — это часть Млечного Пути. Наибольшие скопления звезд располагаются ближе к центру галактического диска (позже мы поговорим об этом подробнее). Со стороны это похоже на светящуюся полосу на небе. Эта фотография Млечного Пути была сделана с вершины острова Пальма (архипелаг Канарские острова), из точки, расположенной неподалеку от Северного оптического телескопа.}

Если хорошенько вглядеться, то заметно, что эта полоса тоже состоит из мириад звезд, которые так слабо светят и расположены настолько близко друг к другу, что их невозможно различить невооруженным взглядом. Мы и все одиночные звезды, видимые нам, — это часть Млечного Пути.

Во Вселенной много других галактик. Очень много. В каждой галактике мириады звезд. Тут трудно не восхититься — и вот вы уже занимаете свое место в ряду восхищенных наблюдателей за звездами, а начало этой вереницы было положено еще при зарождении человечества. Если не раньше. Но вы, в отличие от ваших любующихся звездами предшественников, живете во время, когда мы действительно начали понимать, на что смотрим: размеры, движение и хронологические рамки постепенно встают на свое место. К тому же в последние десятилетия наши знания о Вселенной значительно расширились.

Тем не менее головоломка Вселенной содержит в себе множество вопросительных знаков. Наверное, два самых важных неотвеченных вопроса — это что скрывается за причудливыми субстанциями, которые мы называем «темная энергия» и «темная материя». Мы полагаем, что Вселенная на 95 процентов состоит из них. И в то же время никто сегодня не способен ответить, чем же являются эти неведомые, даже забавные составляющие. Но что-то мы все же знаем. Например, что как темная материя, так и темная энергия незримы. Свет они не излучают и не отражают, оставаясь прозрачными, будто только что помытое окно. А еще их во Вселенной огромное количество. Возникает все больше вопросов. Если темная энергия и темная материя незримы, откуда мы вообще знаем, что они существуют? И в таком случае где они? А на Земле есть темная материя и темная энергия? И что же такое на самом деле темная материя и темная энергия?

Может, вы уже настроены недоверчиво? На это у вас имеются все основания. Утверждать существование невидимого вещества с научно-фантастичным названием — заявление смелое. А смелые заявления требуют надежных доказательств.