# Кэти Мак: как изучение мельчайших частиц помогает понять происхождение и финал Вселенной

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=ZilxYdZqTOM
Канал: Perimeter Institute
Опубликовано: 11.03.2020

---

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
[[JUMP:01:05]]

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 [02:13]. 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» [02:40].

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 [03:33].
*   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 [04:29].

Первым серьезным опытом стала работа в Японии на детекторе нейтрино Супер-Камиоканде [04:03]. 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 [05:22]. Иногда здание сотрясалось от взрывов в шахте, где продолжали добывать цинк, но именно там Мак осознала связь между микромиром и макрокосмосом [05:46].

## ☀️ Нейтрино: как увидеть Солнце сквозь Землю
[[JUMP:05:59]]

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% [06:12].

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 [06:24]. Это стало для нее первым наглядным доказательством того, что процессы на субхарактерных масштабах напрямую связаны с тем, что происходит во Вселенной в целом [06:38].

## 🌌 Взгляд в прошлое: реликтовое излучение и «огненный шар»
[[JUMP:07:03]]

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 [07:55].

Основные тезисы её объяснения эволюции Вселенной:

1.  **Глубокие поля Hubble:** позволяют видеть галактики, свет от которых шел миллиарды лет, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет [08:07].
2.  **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» [09:15].
3.  **Космический микроволновый фон (CMB):** это послесвечение Большого взрыва, карта флуктуаций температуры ранней плазмы [09:28].

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) [10:33]. Реальные карты распределения галактик в небе практически полностью совпадают с результатами этих симуляций.

## 🕵️ Тёмная материя: невидимый каркас Вселенной
[[JUMP: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 [11:51].

Кэти Мак подчеркивает роль тёмной материи:

*   Она составляет около 85% всей материи во Вселенной [12:56].
*   Она не взаимодействует со светом и давлением, поэтому её называют «тёмной» (невидимой) [12:05].
*   Без неё галактики не смогли бы сформироваться в том виде, который мы наблюдаем: тёмная материя служит гравитационным фундаментом, вокруг которого собирается обычное вещество [13:08].

В настоящее время Мак исследует, как тёмная материя могла повлиять на формирование самых первых звезд [14:17]. Она упоминает эксперимент AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) на МКС, который ищет следы аннигиляции частиц тёмной материи [14:42]. 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 [16:01].

## 🕳️ Чёрные дыры и тёмная энергия
[[JUMP: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 [19:00]. Также чёрные дыры обнаруживают по движению звезд вокруг них и по гравитационным волнам при их столкновении [19:27].

**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 [12:56].
*   **Тёмная энергия** — это свойство самого пространства, которое заставляет его расширяться всё быстрее и быстрее [23:05]. 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» [23:56].

## 👩‍🔬 Путь учёного: мифы и реальность
[[JUMP:20:51]]

Кэти Мак развеивает популярный миф о «гении-одиночке». По её мнению, теоретическая физика — это глубоко коллективный процесс [21:18]. Учёные постоянно обсуждают идеи, пишут уравнения на досках в коридорах и созваниваются с коллегами по всему миру [21:32].

Она также затронула трудности академической карьеры:

1.  **Постоянные переезды:** Мак приходилось менять страны на каждом этапе карьеры, что затрудняло личную жизнь и требовало постоянной гибкости [24:50].
2.  **Огромная нагрузка:** «В колледже я почти не спала», — признается она [24:22].
3.  **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» [25:56].

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 [27:18]. Но за этим горизонтом космос, скорее всего, выглядит так же, не имея ни центра, ни физической границы [27:44].