Кэти Мак — известный астрофизик-теоретик, автор научно-популярных книг и активный популяризатор науки, известная под псевдонимом Astro Katie. В своем выступлении на конференции IFWIS 2020 в Периметре она рассказывает о том, как детское любопытство привело ее к изучению самых масштабных вопросов мироздания и почему для понимания устройства галактик необходимо изучать поведение элементарных частиц.
🚲 От разборки пультов до квантовой физики 1:05
Путь Кэти Мак в науку начался не с созерцания звездного неба, а с желания понять, как устроены вещи вокруг нее. Выросшая в Лос-Анджелесе, она почти не видела звезд из-за сильного светового загрязнения . Вместо этого ее внимание было сосредоточено на механике: в детстве она чинила соседские велосипеды и разбирала пульты дистанционного управления, пытаясь разобраться в их «фундаментальных идеях» .
К средним классам школы ее интересы сместились в сторону теоретических концепций. Ключевыми факторами развития стали:
- Чтение журнала Discover и книг, таких как «Краткая история времени» Стивена Хокинга .
- Увлечение вопросами о высших измерениях пространства, природе времени и математической структуре мира.
- Доступ к исследовательской базе: благодаря связи ее школы с Университетом штата Калифорния в Домингес-Хиллз, Мак получила возможность участвовать в реальных исследованиях еще в старших классах .
Первым серьезным опытом стала работа в Японии на детекторе нейтрино Супер-Камиоканде . Мак вспоминает это как захватывающее время: объект находился в действующей шахте на глубине километра под горой, чтобы защитить оборудование от космических лучей. Ей приходилось работать в ночные смены, следя за тем, как редкие нейтрино вызывают вспышки света в огромном резервуаре с водой . Иногда здание сотрясалось от взрывов в шахте, где продолжали добывать цинк, но именно там Мак осознала связь между микромиром и макрокосмосом .
☀️ Нейтрино: как увидеть Солнце сквозь Землю 5:59
Изучение нейтрино дало Мак понимание того, что частицы, которые почти не взаимодействуют с материей, могут быть ключом к изучению звезд. Нейтрино способны пролететь сквозь световой год свинца с вероятностью взаимодействия всего 5% .
Мак демонстрирует изображение Солнца, полученное с помощью нейтрино. Примечательно, что половина данных для этого снимка была собрана ночью: частицы проходили сквозь всю толщу Земли, «даже не замечая ее», прежде чем попасть в детектор . Это стало для нее первым наглядным доказательством того, что процессы на субхарактерных масштабах напрямую связаны с тем, что происходит во Вселенной в целом .
🌌 Взгляд в прошлое: реликтовое излучение и «огненный шар» 7:03
В колледже Кэти Мак перешла к изучению эпохи формирования первых звезд и галактик. Она объясняет, что из-за конечной скорости света, заглядывая дальше в космос, мы неизбежно смотрим в прошлое .
Основные тезисы её объяснения эволюции Вселенной:
- Глубокие поля Hubble: позволяют видеть галактики, свет от которых шел миллиарды лет, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет .
- Большой взрыв: Мак описывает его не просто как событие в прошлом, а как состояние, которое всё еще можно «увидеть». Поскольку Вселенная была горячей и плотной повсюду, на определенном расстоянии мы всё еще видим ее в состоянии «первородного огненного шара» .
- Космический микроволновый фон (CMB): это послесвечение Большого взрыва, карта флуктуаций температуры ранней плазмы .
По словам Мак, крошечные различия в плотности на этой карте (более плотные и менее плотные участки) являются «семенами» структуры Вселенной. Если ввести эти данные в компьютер и «включить» гравитацию, расчеты показывают формирование сложной «космической паутины» из скоплений галактик и гигантских пустот (войдов) . Реальные карты распределения галактик в небе практически полностью совпадают с результатами этих симуляций.
🕵️ Тёмная материя: невидимый каркас Вселенной 11:15
Одним из главных открытий современной космологии Мак называет существование тёмной материи. В компьютерных симуляциях, которые она описывала, каждая точка — это частица тёмной материи, которая обладает массой и гравитацией, но не участвует ни в каких других взаимодействиях .
Кэти Мак подчеркивает роль тёмной материи:
- Она составляет около 85% всей материи во Вселенной .
- Она не взаимодействует со светом и давлением, поэтому её называют «тёмной» (невидимой) .
- Без неё галактики не смогли бы сформироваться в том виде, который мы наблюдаем: тёмная материя служит гравитационным фундаментом, вокруг которого собирается обычное вещество .
В настоящее время Мак исследует, как тёмная материя могла повлиять на формирование самых первых звезд . Она упоминает эксперимент AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) на МКС, который ищет следы аннигиляции частиц тёмной материи . Детектор зафиксировал избыток антиматерии (позитронов и антипротонов). Мак отмечает, что это может быть признаком тёмной материи, но как учёный она признает и альтернативные версии: возможно, источником антиматерии являются пульсары (вращающиеся нейтронные звезды) или остатки сверхновых .
🕳️ Чёрные дыры и тёмная энергия 18:08
Отвечая на вопросы слушателей, Кэти Мак разъяснила принципы обнаружения объектов, которые сами не испускают свет.
Как увидеть чёрную дыру? Хотя чёрные дыры поглощают свет, их присутствие выдает влияние на окружающую среду. По словам Мак, газ, падающий в чёрную дыру, закручивается в мощный «водоворот», нагревается из-за трения до экстремальных температур и начинает ярко светиться в рентгеновском диапазоне . Также чёрные дыры обнаруживают по движению звезд вокруг них и по гравитационным волнам при их столкновении .
Различие между тёмной материей и тёмной энергией: Мак подчеркивает, что это принципиально разные вещи, хотя обе невидимы.
- Тёмная материя — это субстанция с гравитацией, которая «стягивает» пространство и материю .
- Тёмная энергия — это свойство самого пространства, которое заставляет его расширяться всё быстрее и быстрее . По словам Мак, примерно 5 миллиардов лет назад расширение Вселенной начало ускоряться, и современная физика связывает это с тёмной энергией, которую часто называют «космологической постоянной» .
👩🔬 Путь учёного: мифы и реальность 20:51
Кэти Мак развеивает популярный миф о «гении-одиночке». По её мнению, теоретическая физика — это глубоко коллективный процесс . Учёные постоянно обсуждают идеи, пишут уравнения на досках в коридорах и созваниваются с коллегами по всему миру .
Она также затронула трудности академической карьеры:
- Постоянные переезды: Мак приходилось менять страны на каждом этапе карьеры, что затрудняло личную жизнь и требовало постоянной гибкости .
- Огромная нагрузка: «В колледже я почти не спала», — признается она .
- Миф о лёгкости: Мак считает опасным заблуждение, что если физика не даётся тебе легко, то ты не рождён для неё. Напротив, она утверждает: «Это сложно, и это нормально, что это сложно. Вы становитесь лучше в процессе практики» .
В завершение лекции Кэти ответила на вопрос о «крае Вселенной». С её точки зрения, края не существует. Есть «край наблюдаемой Вселенной» — сфера, ограниченная расстоянием, которое свет успел пройти за 13,8 миллиарда лет . Но за этим горизонтом космос, скорее всего, выглядит так же, не имея ни центра, ни физической границы .
