Космология переживает свой «золотой век»: за последние десятилетия человечество продвинулось в понимании Вселенной дальше, чем за всю предыдущую историю. Однако этот прогресс привел ученых к парадоксальному выводу: всё, что мы видим — звезды, планеты, галактики и мы сами, — составляет лишь крошечную долю мироздания.
🌌 Вселенная на 4%: из чего состоит реальность 1:10
Майкл Тернер вводит понятие «четырехпроцентной Вселенной». По современным космологическим данным, состав нашего мира распределен следующим образом:
- Обычная материя (атомы): около 4%. Это всё, из чего состоят люди, планеты и межзвездный газ .
- Темная материя: около 26%. Она не испускает света, но удерживает галактики вместе своей гравитацией .
- Темная энергия: около 70%. Загадочная субстанция, заставляющая Вселенную расширяться всё быстрее .
По словам Тернера, современная космология опирается на три «столпа»: темную материю, темную энергию и инфляцию (сверхбыстрое расширение в первые мгновения после Большого взрыва) . Несмотря на наличие математических моделей, физическая природа этих явлений остается неясной. Ученый сравнивает нынешнее состояние науки с ситуацией, когда у табуретки есть три ножки, но мы не до конца понимаем, из чего сделана каждая из них .
🛰️ Темная материя: невидимый клей космоса 8:21
Проблема темной материи — это «старая» загадка, корни которой уходят в 1930-е годы. Тернер выделяет ключевые этапы её открытия:
- Фриц Цвикки (1933): Изучая скопление галактик Кома, он заметил, что галактики движутся слишком быстро. Гравитации видимых звезд было недостаточно, чтобы удержать их вместе. Цвикки предположил существование dunkle Materie — темной материи .
- Вера Рубин (1970-е): Она обнаружила ту же проблему внутри отдельных галактик. Звезды на окраинах вращаются так же быстро, как и в центре, что противоречит законам Ньютона, если учитывать только видимую массу. Это доказало, что галактики погружены в огромные «гало» невидимого вещества .
Тернер подчеркивает, что ученые уже исключили простые объяснения. Темная материя — это не пыль (иначе мы бы не видели звезд), не черные дыры и не обычные атомы . Космологическое «бухгалтерское уравнение» из микроволнового фона показывает, что атомов во Вселенной слишком мало, чтобы объяснить наблюдаемую гравитацию .
Основные кандидаты на роль темной материи:
- Вимпы (WIMPs): Слабо взаимодействующие массивные частицы. Самый популярный кандидат — нейтралино, предсказанный теорией суперсимметрии .
- Аксионы: Чрезвычайно легкие частицы, предсказанные для решения проблем квантовой хромодинамики. Тернер называет их «темной материей для мыслящего человека» .
- Нейтрино: Хотя они существуют, их массы недостаточно, чтобы составить значимую долю темной материи .
💥 Темная энергия: величайшее потрясение 25:50
Если темная материя «стягивает» мир, то темная энергия его «расталкивает». До конца 1990-х ученые были уверены, что расширение Вселенной замедляется под действием гравитации . Вопрос стоял лишь в том, остановится ли оно когда-нибудь или приведет к коллапсу («Большому сжатию»).
Однако в 1998 году две команды астрономов (под руководством Адама Рисса, Брайана Шмидта и Сола Перлмуттера) обнаружили нечто невероятное: расширение ускоряется . Они использовали сверхновые типа 1a как «стандартные свечи» для измерения расстояний. Тернер шутит, что самым большим сюрпризом для каждой группы было то, что конкуренты получили тот же результат . За это открытие в 2011 году была вручена Нобелевская премия .
Почему Вселенная ускоряется?
Тернер объясняет это через концепцию антигравитации (репульсивной гравитации). В общей теории относительности Эйнштейна источником гравитации является не только масса, но и давление . Если некое вещество обладает сильным отрицательным давлением (эластичностью), его гравитация становится отталкивающей .
🧪 Гипотезы о природе темной энергии 50:40
Тернер, который и ввел термин «темная энергия», признает, что на данный момент у науки нет финального ответа. Он перечисляет основные теории:
- Энергия вакуума (Космологическая постоянная): Согласно квантовой механике, вакуум — это не пустота, а кипящий океан виртуальных частиц . Проблема в том, что расчетная плотность этой энергии в 10 в 55-й степени раз превышает наблюдаемую. Это Тернер называет крупнейшим провалом теоретической физики .
- Квантовая суперсимметрия: Идея о том, что частицы и их суперпартнеры могли бы сбалансировать энергию вакуума до нуля или малого значения, но пока математика не сходится .
- Ландшафт теории струн: Предположение о существовании 10 в 500-й степени различных вселенных, в одной из которых (нашей) значение темной энергии случайно оказалось подходящим для жизни .
- Модификация гравитации: Тернер также выдвигал идею, что никакой темной энергии нет, а мы просто не до конца понимаем, как работает гравитация на огромных расстояниях .
🔭 Будущее исследований 1:01:21
На текущий момент все измерения показывают, что темная энергия ведет себя как «космологическая константа» Эйнштейна (параметр $w = -1$) . Однако ученые надеются найти отклонения, которые укажут на новую физику.
В ближайшее десятилетие прояснить ситуацию помогут новые инструменты:
- Темный энергетический обзор (Dark Energy Survey).
- Новые космические телескопы.
- Большой адронный коллайдер (LHC), который может обнаружить частицы темной материи .
Майкл Тернер резюмирует, что человечество находится в процессе сборки гигантской картины мироздания. Хотя некоторые детали могут оказаться неверными, мощные инструменты и смелые идеи неизбежно приведут к разгадке «темной стороны» Вселенной.
