Известная, хоть и апокрифическая, история гласит: во время лекции по астрономии к знаменитому ученому подошла женщина, заявив, что Вселенная покоится на спине гигантской черепахи. «А на чем же держится эта черепаха?» — снисходительно спросил он. «Вы очень проницательны, молодой человек, — ответила она, — но там внизу — черепаха на черепахе, и так до самого низа!»
Космологи, пытающиеся осмыслить события на заре времен, порой сталкиваются с вопросами не менее каверзными. Несмотря на общее согласие относительно того, что произошло в первые мгновения после Большого взрыва, грандиозные научные и философские барьеры мешают нам понять, что предшествовало этому: переход от ничто к чему-то. Согласно хронологии, 13,8 миллиарда лет назад, сразу после своего возникновения, Вселенная была невероятно мала, горяча и плотна.
Четыре фундаментальные силы, управляющие ей (гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие), тогда были объединены. Затем Вселенная невероятно быстро расширилась в короткую фазу космической инфляции, и эти силы разделились. Последующие тысячелетия ознаменовались фазой охлаждения, в ходе которой формировались частицы, а затем атомы; Вселенная начинала приобретать знакомый нам облик, материя конденсировалась, образуя звезды и планеты.
Этот сценарий по-прежнему оставляет без ответа вопрос о том, что существовало до Большого взрыва. Никакая информация об этих первозданных моментах не может к нам поступить, однако физики выдвинули частичную гипотезу. Согласно квантовой физике, даже в идеальном вакууме случайные флуктуации могут порождать материю и энергию. Возможно, Вселенная просто возникла внезапно. Критики же возражают, что такой ответ предполагает существование физических законов заранее, что является вариацией аналогии с черепахой: «физика до самого низа!»
Куда исчезла антиматерия?
В бурные годы начала XX века, когда физика переосмысливала наше представление о материи, ученые осознали, что каждая частица должна иметь античастицу — с той же массой, но противоположным зарядом. Так, электронам (отрицательно заряженным) должны соответствовать позитроны (положительно заряженные), а протонам (положительно заряженным) — антипротоны (отрицательно заряженные).
Эксперименты на ускорителях подтверждают это, позволяя получать такие частицы в больших количествах. Однако частицы материи и антиматерии должны находиться на расстоянии друг от друга, чтобы не аннигилировать во вспышке энергии. Физика также утверждает, что равные количества материи и антиматерии должны были быть созданы в момент Большого взрыва. Но хотя античастицы были обнаружены в космосе, почти все, что мы видим, состоит из материи. Так куда же делась антиматерия?
Возможное объяснение заключается в том, что скорости распада частиц и античастиц могли незначительно отличаться. Этого различия было бы достаточно, чтобы со временем привести к наблюдаемой асимметрии. Недостающая антиматерия остается одной из загадок космологии. Возможно, эксперименты, проводимые на Большом адронном коллайдере в Женеве, помогут пролить свет на эту тайну.
Что такое темная материя?
В 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, изучая вращающиеся скопления галактик, пришел к тревожному выводу: при наблюдаемых скоростях эти скопления должны были разбросать свои звезды в космос, как несчастных детей, слетающих с карусели. Эти скопления могли оставаться целыми только в том случае, если содержали значительно больше массы, чем было замечено.
Позднее измерения движений галактик помогли прояснить загадку темной материи. Физики теперь считают, что около 27% материи Вселенной состоит из этого неизвестного вещества, которое не излучает и не отражает свет. Темная материя могла бы состоять из невидимых объектов, таких как массивные звезды, называемые коричневыми карликами, и черные дыры.
Однако ученые выдвигают и другую гипотезу: существуют «слабо взаимодействующие массивные частицы» (WIMPs). Эти частицы имели бы очень малые индивидуальные массы и были бы трудны для обнаружения, но их огромное количество создавало бы необходимое гравитационное воздействие. Эксперименты на борту Международной космической станции зафиксировали высокоэнергетические частицы, которые, возможно, были выброшены в результате столкновения частиц темной материи.
Откуда берутся мощные космические лучи?
Выйдите на улицу, и каждую секунду вас будет бомбардировать космический луч. Не чувствуете? Это потому, что каждый из них — субатомная частица, обычно протон. Космические лучи, наблюдаемые уже около ста лет, с огромной скоростью обрушиваются на земную атмосферу со всех направлений.
Часть из них исходит от Солнца, но большинство прибывает из далеких и неизвестных источников. Некоторые из них настолько энергичны, что движутся почти со скоростью света. Ученые долго задавались вопросом, какое ускорение могло бы придать частице такую скорость.
Просто невозможно отследить источник частицы, потому что космические лучи изгибаются вдоль магнитных полей в межзвездном пространстве и вокруг нашей планеты. Тем не менее, исследователи установили связь между космическими лучами сверхвысоких энергий и магнитными полями, окружающими остатки сверхновых. По-видимому, некоторые заряженные частицы, захваченные этими магнитными полями, ускоряются, вращаясь через ударную волну сверхновой; они набирают скорость и могут затем вырываться из нее, как пуля в космос. В феврале 2013 года астрономы объявили, что космический телескоп Ферми обнаружил гамма-излучение, характерное для таких взаимодействий, вокруг двух остатков сверхновых, что на данный момент является лучшей подсказкой для объяснения происхождения этих загадочных частиц.
Влияют ли солнечные пятна на климат Земли?
Наблюдатели следили за солнечными пятнами задолго до того, как поняли их природу. В XIX веке астроном-любитель Самуэль Генрих Швабе, ежедневно в течение семнадцати лет подсчитывавший темные пятна на поверхности Солнца, обнаружил, что их количество растет и убывает с регулярным одиннадцатилетним циклом.
С тех пор ученые узнали, что солнечные пятна отмечают места, где линии магнитного поля прорываются через видимую поверхность Солнца. Когда солнечный цикл достигает максимума, ультрафиолетовое излучение усиливается, и Солнце становится очень активным, с вспышками, способными нарушать электрические передачи на Земле. Теория о том, что солнечные пятна могут иметь более широкое воздействие — например, влиять на климат нашей планеты, — долгое время высмеивалась.
Теперь исследователи считают, что в этой идее может быть доля истины. Период сниженной активности солнечных пятен между 1645 и 1715 годами, известный как минимум Маундера, связан с холодным периодом, когда средние температуры были на несколько градусов ниже нормы. Исследования годичных колец деревьев также подтверждают связь между солнечными циклами и климатом. Однако климат Земли очень сложен, и его механизмы все еще изучаются, как и вопрос о солнечных пятнах.
Какова природа земного ядра?
Ядро Земли начинается на глубине 2897 км под нашими ногами, но оно настолько недоступно, что могло бы с таким же успехом находиться в другой галактике. Тем не менее, ученые получили представление о его природе, изучая прохождение сейсмических волн через нашу планету, вычисляя массу и плотность Земли на основе ее взаимодействий с другими телами, а также буря верхние слои.
Основываясь на этих измерениях, ученые предполагают, что ядро представляет собой металлическую сферу радиусом около 3541 км, то есть размером с Марс. Эта сфера, возможно, состоит из двух слоев: твердого внутреннего ядра и жидкого внешнего ядра. Температура во внутреннем ядре достигает почти 6000 °C. Это тепло является источником движения наших тектонических плит.
Вопросы остаются. Некоторые открытия позволяют предположить существование внутри внутреннего ядра еще более глубокого, твердого, железного ядра. Кроме того, сейсмические измерения показывают, что внутреннее ядро вращается с иной скоростью, чем остальная часть Земли. Наконец, согласно недавним исследованиям, ядро выделяет больше тепла, чем ожидалось. И здесь причина неизвестна. Исследователь Дэвид Стивенсон более или менее серьезно предложил расширить трещину в Земле, чтобы отправить туда зонд.
Когда зародилась жизнь на Земле?
Еще молодая Земля перешагнула порог между 4 и 3,5 миллиардами лет назад, став живой планетой. Но как первые формы жизни — организмы, накапливающие энергию и размножающиеся, — появились в океанах? При гипотезе о формировании жизни из элементарной органической химии выделяются две основные школы мысли.
Согласно одной из них, необходимые для жизни на Земле ингредиенты прибыли из космоса, где ученые обнаружили удивительное количество сложных органических молекул; спектроскопический анализ межзвездных молекулярных облаков выявил наличие органических соединений, таких как сахара; некоторые органические соединения были также найдены в образцах комет и метеоритов. Не исключено — и даже вероятно — что кометы и другие богатые льдом космические фрагменты, сталкиваясь с молодой Землей, принесли на ее поверхность органические вещества, необходимые для возникновения жизни.
Согласно другой, более распространенной школе мысли, жизнь возникла в результате химических реакций в океане. Знаменитый эксперимент Миллера-Юри, проведенный в 1953 году, где ученые подвергли «первичный бульон» электрическим разрядам и наблюдали появление аминокислот, показал, что для образования химических соединений не требуются какие-либо особые условия. Было предложено множество вариаций этой гипотезы, включая формирование органических веществ вблизи гидротермальных источников или под льдом замерзших океанов.
Следующий этап не менее сложен для расшифровки: как органические химические вещества структурировались в самовоспроизводящуюся систему, где белки и нуклеиновые кислоты работают вместе? Многие ученые считают, что первой формой генетического кода был РНК, а не ДНК. Тем не менее, большая часть работ по происхождению жизни остается в значительной степени спекулятивной.
Возможно ли путешествие во времени?
Может ли человек действительно путешествовать во времени? Физики отвечают, что в некотором смысле это возможно, но не так, как это изображает научная фантастика. Сценарии путешествий во времени основаны на самых крайних следствиях теорий относительности Эйнштейна. Время не является отдельным или абсолютным; как часть пространственно-временного континуума, оно замедляется для очень массивных или чрезвычайно быстрых объектов.
Так, 20-летняя женщина, которая проведет пять лет в космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, вернется на Землю, где пройдет пятьдесят лет, как если бы она совершила путешествие на сорок пять лет в будущее. И того же эффекта она достигла бы, если бы находилась вблизи очень массивного объекта, например, нейтронной звезды.
Пространственно-временные туннели — еще один теоретический временной портал. Некоторые формы черных дыр могли бы представлять собой такие туннели. Однако, если бы они существовали, им понадобилась бы экзотическая антигравитационная материя, чтобы оставаться открытыми, и почти наверняка все, что прошло бы через них, было бы уничтожено. Эти радикальные методы требуют огромного количества энергии, гораздо больше, чем мы можем использовать в настоящее время, и они применимы только для путешествий в будущее. Путешествие в прошлое, даже теоретически, кажется невозможным.
Живем ли мы в мультивселенной?
Одна из возможностей мультивселенной предполагает, что наша Вселенная бесконечно расширяется за пределы наблюдаемых границ. Материя и энергия комбинируются всеми возможными способами, прежде чем начать повторяться, создавая дубликат Вселенной дальше.
Выдвигая новые и смелые гипотезы, ученые порой открывают неожиданные пути. Так произошло и с космологией — изучением происхождения и структуры Вселенной. Теории о расширении ранней Вселенной и способы примирения гравитации с другими физическими силами привели к мысли о существовании бесконечного множества других Вселенных.
Теория космической инфляции, впервые предложенная Аланом Гутом в 1980 году, решает некоторые проблемы, связанные с Большим взрывом, постулируя, что пространство-время расширилось с необычайной скоростью вскоре после своего формирования. Согласно сопутствующим теориям, даже если наша Вселенная прекратила расширяться, эта инфляция может продолжаться в других местах, образуя другие Вселенные — бесчисленные пузыри рядом с нашим.
Теория струн — это попытка преодолеть разрыв между релятивистской и квантовой физикой; на фундаментальном субатомном уровне Вселенная должна обладать гораздо большим числом измерений, чем четыре, которые мы знаем. Другие Вселенные могли образоваться в этом многомерном пространстве, невидимые для нас. Одна из главных проблем теорий мультивселенной заключается в том, что их невозможно доказать. Мы не можем наблюдать эти другие Вселенные.
Как закончится Вселенная?
В фильме «Энни Холл» юный Элви Сингер отказывается делать уроки, потому что Вселенная расширяется. «А если она расширяется, однажды она исчезнет, и это будет конец всего! Так какой смысл?» Элви не ошибается, по крайней мере, в отношении Вселенной. Она расширяется и в своей нынешней форме прекратит существование. Но какова будет природа этого конца?
В зависимости от общего количества материи и энергии во Вселенной, вероятно, победит одна из трех следующих моделей: Большой хруст («big crunch»), Большое охлаждение («big chill») или Большой разрыв («big rip»). В сценарии Большого хруста масса во Вселенной достаточна, чтобы замедлить и обратить вспять ее расширение, так что она схлопнется сама в себя. В сценарии Большого охлаждения массы недостаточно, чтобы остановить расширение, поэтому галактики будут удаляться друг от друга и терять свой блеск, остывая. В случае Большого разрыва, Вселенная, ускоряющаяся под действием темной энергии, распадется вплоть до своих атомов.
Астрономы считают, что Большой хруст маловероятен, учитывая наши знания о материи во Вселенной. Какой из двух других сценариев возобладает? Это будет зависеть от того, что мы узнаем о темной материи и темной энергии.
Найдём ли мы когда-нибудь теорию суперструн?
Теория струн могла бы стать способом объединения законов физики. Часто описываемая как Святой Грааль физики, теория суперструн стремится примирить существующие конфликтные модели физического мира.
Революционная физика XX века оставила нам два способа объяснения природы. Один из них — теория относительности, которая описывает крупномасштабные взаимодействия во Вселенной, в частности гравитацию, в терминах геометрии пространства-времени. Другой — квантовая физика, которая описывает мелкомасштабные взаимодействия трех других сил — электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий — в терминах обмена частицами. Эти две теории, к сожалению, несовместимы.
Теория суперструн пытается навести мост между ними. Сложная и противоречивая — по сути, это набор теорий — она исходит из идеи, что фундаментальные частицы состоят из петель «струн» или мембран, вибрирующих во всех направлениях. Сложная математика теории суперструн применима ко всем базовым силам.
Однако у этой теории есть свои противники, которые считают ее непроверяемой и ненаучной. Большинство исследователей полагают, что эти теории в конечном итоге примирятся. «Зрелые науки развиваются не путем замены одной теории другой, — пишет физик Джеймс Трефил, — а путем включения старых теорий в новые».