Артур уиггинс, чарльз уинн пять нерешенных проблем науки рисунки Сидни Харриса

Прогнозирование будущего Вселенной

При всей сложности нерешенной проблемы темной материи не она является крупнейшей проблемой, с которой сегодня приходится иметь дело астрономии. Возникла эта проблема в конце 1990-х годов в ходе изучения космологами развития Вселенной с теоретических позиций. На пространственно-временной схеме эволюции Вселенной четко просматривается несколько возможностей ее дальнейшей судьбы (рис. 6.12).



Рис. 6.12. Расстояние между галактиками во Вселенной в зависимости от времени

Представить движение Вселенной можно на примере подбрасывания мяча в воздух. Если подбросить его достаточно резко, то мяч высоко взмоет в небо, замрет на какой-то миг и затем упадет к вам в руки. Нечто подобное происходило бы в замкнутой Вселенной. Возвращение мяча вызвано силой тяготения, благодаря массе Земли, достаточно большой, чтобы вернуть мяч обратно. Теперь подбросим мяч, находясь на небольшом астероиде. Если астероид невелик, то пущенный с определенной скоростью мяч может и не вернуться на него, преодолев его силу тяготения. Такое положение соответствовало бы открытой Вселенной. Если же вы окажитесь на небесном теле с подходящей массой, мяч начнет удаляться бесконечно далеко, причем скорость его будет стремиться к нулю. Такое состояние характерно для плоской Вселенной.

Итак, вопрос об эволюции Вселенной, похоже, стоит так: хватит ли массы у нее для удержания от непрестанного расширения? Главным фактором эволюции Вселенной является величина совокупной плотности ее вещества и энергии, а необходимость учета обеих величин определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е= тс² (см. гл. 2).

Плотность вещества (энергии) обычно выражается величиной омега, равной приведенной плотности вещества (энергии) (по отношению к критической плотности). Омега, равная единице в случае совпадения плотности вещества (энергии) с критическим значением плотности, указывает на расширение Вселенной со все уменьшающейся скоростью, и через бесконечное время на бесконечном удалении она уже не будет ни расширяться, ни сжиматься. Этот случай характерен для Вселенной с критической плотностью. Если масса определяет геометрию времени-пространства, критической плотности соответствует плоская Вселенная, где сохраняется параллельность линий и справедлива евклидова геометрия.

Если омега больше единицы, значит, расширение Вселенной будет замедляться еще быстрее и, достигнув предельных размеров, она начнет стягиваться, пока не произойдет «большого сжатия». Данный случай описывает поведение замкнутой Вселенной, где параллельные линии начнут сходиться.

Если омега меньше единицы, Вселенная будет вечно расширяться со слегка замедляющейся скоростью. Данный случай описывает поведение открытой Вселенной, где параллельные линии начнут расходиться.

Согласно видимой материи (энергии) омега значительно меньше единицы, что свидетельствует об открытой Вселенной. Современные оценки количества темной материи во Вселенной дают существенную прибавку массы, однако получаемая совокупная величина уступает критической плотности. Согласно значениям видимой и темной материи Вселенная открыта независимо от возможного состава темной материи. Вопрос, стало быть, снят? Не тут-то было.

Столкнувшись с неожиданным: ускорение Вселенной

В начале 1990-х годов две разные группы ученых занялись измерением расстояния до сверхновых звезд (см. гл. 3) в надежде определить замедление Вселенной нахождением ее нынешней скорости расширения, которая, по их мнению, должна была падать со временем. Но нашли они не то, что искали: вместо замедления получили ускорение. Ученые были столь удивлены, что, боясь ошибиться, несколько раз перепроверили свои результаты и лишь затем их обнародовали.

Прежде чем приступить к изучению этих данных, посмотрим, что ученые пытались сделать. Ведь, как мы помним, затруднение Хаббла при определении расстояний до удаленных галактик вызывалась тем, что переменные звезды-цефеиды у таких галактик оказывались слишком тусклыми. Поэтому вполне разумно было отыскать более яркие объекты с известной светимостью, после чего вычислить расстояние до них на основе их относительной светимости. При всей яркости сверхновых звезд светимость зависит от их массы. Один вид сверхновых связан со звездой постоянной массы, а поэтому и известной светимости. Подобное происходит, когда белый карлик получает дополнительную массу от звезды-спутника, и этой массы достаточно, чтобы превысить предел для массы белого карлика (в 1,4 раза больше массы Солнца).

Тогда белый карлик взрывается, становясь сверхновой звездой типа 1а. Ввиду своей чрезвычайной светимости сверхновые типа 1а легко различимы в отдаленных галактиках. Такие сверхновые взрываются с одной и той же светимостью, так что расстояние до них можно вычислить, измеряя их видимый блеск: чем он слабее, тем она дальше. Трудность данного подхода связана с тем, что сверхновые типа 1а сохраняют свою максимальную яркость лишь в течение нескольких недель.

В 1998 году в рамках проекта космологии сверхновых звезд Калифорнийского технологического института и Международного консорциума по поиску сверхновых с большой Z²⁶ [величиной красного смещения] исследовались различные сверхновые типа 1а вблизи максимума их яркости и определялись их расстояния. С помощью метода доплеровского сдвига, впервые предложенного Весто Слайфером, они определили красные сдвиги галактик, где находились сверхновые, и сравнили полученные величины со значениями, получаемыми с применением зависимости Хаббла. Измерения показали, что эти отдаленные сверхновые обладают значительно меньшим блеском, чем указывает зависимость Хаббла. А поскольку свету от вспыхнувших сверхновых пришлось добираться к нам 4—8 млрд лет, измерения свидетельствовали, что сегодня Вселенная расширяется значительно быстрее прежнего. Иначе говоря, ее расширение идет с ускорением.

На следующий год обнаружили еще более удаленную сверхновую. Оказалось, что это самая далекая из когда-либо наблюдавшихся звезд, и свет от нее шел 11 млрд. лет. Блеск ее оказался выше расчетного. Получалось, что 11 млрд. лет назад происходило замедление ранней Вселенной из-за сил тяготения. Но 4—8 млрд. лет назад она стала ускоренно расширяться, а галактики — разбегаться со всевозрастающей скоростью.

Из этого измерения следовал неумолимый вывод: какова бы ни была причина нынешнего ускоренного расширения Вселенной, оно было менее заметным или даже вовсе отсутствовало на ранней стадии ее эволюции. Оно стало заметным, когда Вселенная миновала пик своей эволюции, и с той поры возраст определяет ее поведение.

Такое положение вещей сродни ситуации, когда водитель замедляет скорость при виде красного света светофора, чтобы при появлении зеленого света нажать на газ.

Что это за штука, вызывающая подобное космологическое ускорение? Мы не знаем, но уже дали ей название. Недостающую массу (энергию) никогда не видели, поэтому она темная. А раз она противодействует тяготению, то не может обладать привычной для нас массой. Астрофизик из Чикагского университета Майкл Тернер окрестил ее в 1999 году темной энергией.

Благодаря ряду различных опытов у нас есть оценка величины этой неведомой темной энергии, пусть даже мы и не знаем, что она собой представляет. Несколько опытов ставилось с целью выяснить общие геометрические свойства пространства и определить, открытая, плоская или замкнутая наша Вселенная. Фоновое микроволновое излучение, заполняющее ее всю, осталось от начального «большого взрыва». В течение первых 400 тыс. лет после этого взрыва Вселенная была еще столь горячей, что представлялась непроницаемой для электромагнитного излучения. Затем, остыв, она стала испускать электромагнитные волны. На протяжении 400 тыс. лет эти волны способны были преодолевать лишь ограниченное расстояние, так что все флуктуации в излучении были ограничены по величине. Но с тех пор флуктуации исказились ввиду искривления пространства. Измерение величины минимальных температурных флуктуации в самом излучении дает возможность определить общую кривизну пространства. Для измерения этих флуктуации были задействованы высотные воздушные шары и датчик наверху метеорологической станции на Южном полюсе. В рамках экспериментов «Бумеранг», «Максима» и «Дейси» удалось изучить эти флуктуации и определить, что пространство Вселенной — плоское (евклидово): Ω = 1 ±4% (рис. 6.13).

У плоской Вселенной Ω= 1, так что плотность в точности должна совпадать с критическим значением. Поскольку обычное вещество и темная материя вместе составляют 27% критической плотности массы (энергии), для обеспечения плоского характера геометрии Вселенной оставшиеся 73% должны приходиться на темную энергию. Данная теория оставляет смешанное чувство: мы можем оценить количество темной энергии, блуждая в потемках по поводу ее природы.

Вот какую картину рисуют эти данные: после первоначального резкого раздувания (инфляции) Вселенная перешла к расширению, и скорость уменьшилась под действием материи (обычной и темной). На ранних стадиях эволюции темная энергия почти не проявляла себя, так как была столь равномерно распределена по Вселенной, что не вмешивалась в формирование галактик и туманностей.

Рис. 6. 75. Флуктуации фонового микроволнового излучения, определяющие общую кривизну пространства. На верхнем снимке представлены опытные данные; нижние снимки представляют собой три возможных распределения флуктуациис двухмерными изображениями пространственно-временной кривизны. Слева направо представлены случаи замкнутой, плоской и открытой Вселенной. Данные более всего согласуются со случаем плоской Вселенной

Спустя несколько миллиардов лет верховенство перешло к темной энергии, и она стала своим отрицательным давлением противодействовать силе тяготения, ускоряя тем самым расширение Вселенной. В настоящее время темная энергия слегка пересиливает тяготение, но с увеличением расширения Вселенной все большие расстояния будут способствовать дальнейшему ослаблению тяготения. Преобладание темной энергии будет становиться все более заметным, вызывая еще более ускоренное расширение Вселенной.

Решение головоломки: где, когда, как и кто?

С точки зрения теории существует несколько возможностей учета темной энергии:

• 
  Допущение возможности существования множественных вселенных. Возможно, квантовая пена породила много вселенных, и мы обитаем в одной из них. Другие все ленные вполне могут обладать иной величиной сил взаимодействия, иными постоянными или даже совершенно иными физическими законами. Наша приютила жизнь, благодаря чему мы можем рассуждать о ее природе.
  
• 
  Взаимодействие мембраны, содержащей нашу Вселенную, с мембранами, содержащими иные вселенные. В случае истинности одной из теорий относительно источника массы у частиц (см. гл. 2), включающих недоступные ощущениям многочисленные размерности, возможно, мембрана, на которой пребывает наша Вселенная, взаимодействует с другими мембранами посредством тяготения. Тогда мембраны могли бы сталкиваться, что заставило бы нас пересмотреть все прежние теории относительно эволюции Вселенной.
  

• 
  Космический телескоп Джеймса Уэбба. В 2010 году на мечено заменить космический телескоп Хаббла другим, более мощным. Если вспомнить, сколькими успехами мы обязаны телескопу Хаббла, от его преемника следует ожидать еще более ощутимых результатов.
  

• 
  Слоуновский цифровой обзор неба. В рамках этого грандиозного проекта, уже претворяемого в жизнь, с помощью 2,5-метрового телескопа [обсерватории Апачи-Пойнт²⁷, штат Нью-Мексико] проводится нанесение координат галактик одной четверти видимого неба. Будет охвачено более 100 млн галактик.
  
• 
  SNAP (SuperNova/Acceleration Probe). В рамках данного проекта намечен запуск космического телескопа, который на протяжении трех лет смог бы регистрировать до 2 тыс. сверхновых типа 1а в год. Заработать он должен не позднее 2006 года.
  
• 
  Обзор красных смещений галактик, расположенных в телесном угле размером 2°. Данный обзор осуществляется с помощью англо-австралийского 3,9-метрового теле скопа в обсерватории Сайдинг-Спринг австралийского штата Новый Южный Уэльс. Им будет охвачено более 250 тыс. галактик. Наблюдение уже ведется, и свежие данные размещаются на узле www.aao.gov.au/2df .
  

Майкл Стенли Тернер (Чикагский университет, председатель);

Роджер Дэвид Бландфорд (Калифорнийский технологический институт);

Сандра Мур Фейбер (Калифорнийский университет, Санта-Крус);

Томас К. Гайссер (Делавэрский университет);

Файона Энн Харрисон (Калифорнийский технологический институт);

Джон Питер Хачра (Гарвардский университет);

Хелен Р. Куинн (Стэнфордский центр линейного ускорителя);

Р. Дж. Хамиш Робертсон (Вашингтонский университет);

Бернар Садуле (Калифорнийский университет, Беркли);

Фрэнк Дж. Скиулли (Колумбийский университет);

Дэвид Натаниел Спергел (Принстонский университет);

Дж. Энтони Тайсон [научно-исследовательский центр «Bell Laboratories»] компании Lucent Technologies;

Фрэнк Энтони Вилчек (Массачусетский технологический институт);

Клиффорд Мартин Уилл (Вашингтонский университет);

Брюс Д. Уинстейн (Чикагский университет);

Филип Джеймс Эдвин Пиблз;

Джон Баколл;

Джереми Острикер;

И. У. «Рокки» Колб.

Вселенная походит на подарок, принесенный кем-то на вечеринку. Подарок довольно темен и завернут в темную бумагу, но зато украшен блестящей тесьмой затейливых расцветок и узоров.

Так и мы: настолько поглощены яркой тесьмой видимой материи во Вселенной, что до сих пор почти ничего не ведаем о таящейся внутри темной материи и темной энергии.

Мы только начинаем трясти коробку.

Что мы услышим?

Теперь я подозреваю, что Вселенная

не только более необычна, чем мы себе

воображаем, — она более необычайна,

чем мы себе можем вообразить.

Дж. Б. Холдейн

Ограничить число нерешенных наукой проблем — то же самое, что заставить полноводную Миссисипи течь сквозь садовый шланг.

В действительности, помимо затронутых нами пяти крупнейших не решенных наукой задач, внимания и усилий ученых требует множество иных проблем. Некоторые из них, возможно, оспорят или даже в итоге оттеснят нашу пятерку.

В данном разделе перечислены и бегло рассмотрены некоторые иные не решенные наукой задачи.

Узнать о них больше можно из других источников (см. раздел «Источники для углубленного изучения» в конце книги).

Проблемы физики

Какова природа света?

Свет в некоторых случаях ведет себя подобно волне, а во многих других — сродни частице. Спрашивается: что же он такое? Ни то, ни другое. Частица и волна — лишь упрощенное представление о поведении света. На самом же деле свет не частица и не волна. Свет оказывается сложнее того образа, что рисуют эти упрощенные представления.

Черные дыры, рассматриваемые в гл. 1 и 6, обычно представляют собой сжимающиеся ядра больших звезд, переживших взрыв в виде сверхновой. У них такая огромная плотность, что даже свет не в состоянии покинуть их недра. Ввиду огромного внутреннего сжатия черных дыр к ним неприменимы обычные законы физики. А поскольку ничто не может покинуть черных дыр, недоступно и проведение каких-либо опытов для проверки тех или иных теорий.

Как говорилось в гл. 2, пытающиеся потеснить стандартную модель теории, возможно, в итоге прояснят число измерений, а также преподнесут нам «теорию всего сущего». Но пусть вас не вводит в заблуждение название. Если «теория всего сущего» и даст ключ к пониманию природы элементарных частиц, внушительный список нерешенных проблем — залог того, что подобная теория оставит без ответа еще много важных вопросов. Подобно слухам о смерти Марка Твена, слухи о кончине науки с приходом «теории всего сущего» слишком преувеличены.

Теоретически общая теория относительности Эйнштейна допускает такое путешествие. Однако нужное при этом воздействие на черные дыры и их теоретических собратьев, «кротовые норы» ²⁹, потребует огромных затрат энергии, значительно превосходящих наши нынешние технические возможности. Толковое описание путешествия во времени дается в книгах Митио Каку Гиперпространство (1994) и Образы (1997) и на сайте http://mkaku.org

Некоторые обсерватории заняты поиском свидетельств существования гравитационных волн. Если такие волны удастся найти, данные колебания самой пространственно-временной структуры будут указывать на происходящие во Вселенной катаклизмы вроде взрыва сверхновых, столкновений черных дыр, а возможно, еще неведомых событий. За подробностями обращайтесь к статье У. Уэйта Гиббса «Пространственно-временная рябь».

Некоторые теории, не укладывающиеся в рамки стандартной модели (см. гл. 2), предсказывают распад протона, и для обнаружения такого распада было сооружено несколько детекторов. Хотя самого распада пока не наблюдалось, нижняя граница периода полураспада у протона оценивается величиной 10³² лет (значительно превышающей возраст Вселенной). С появлением более чувствительных датчиков, возможно, удастся обнаружить распад протона или же придется отодвинуть нижнюю границу периода его полураспада.

Сверхпроводимость появляется при падении у металла электрического сопротивления до нуля. В таких условиях установившийся в проводнике электрический ток течет без потерь, которые свойственны обычному току при прохождении в проводниках вроде медного провода.

Явление сверхпроводимости впервые наблюдалось при крайне низкой температуре (чуть выше абсолютного нуля, —273°С). В 1986 году ученым удалось сделать сверхпроводящими материалы при температуре кипения жидкого азота (-196°С), что уже допускало создание промышленных изделий. Механизм данного явления понят еще не до конца, но исследователи пытаются добиться сверхпроводимости при комнатной температуре, что позволит уменьшить потери электроэнергии.

Проблемы химии

Как состав молекулы определяет ее облик?

Знание орбитального строения атомов в простых молекулах позволяет довольно легко определить внешний вид молекулы. Однако теоретические исследования облика сложных молекул, особенно биологически важных, пока не проводились. Один из аспектов данной проблемы — укладка белков, рассматриваемая в Списке идей, 8.

Биологические факторы вроде наследственности и внешней среды, вероятно, играют большую роль в развитии рака. Зная происходящие в раковых клетках химические реакции, возможно, удастся создать молекулы для прерывания этих реакций и выработки у клеток сопротивляемости раку.

Для оповещения в клетках задействуются молекулы нужной формы, когда через «подгонку» в виде комплиментарности и происходит передача сообщения. Белковые молекулы наиболее важны, так что вид их укладки и определяет их облик [конформацию]. Поэтому более глубокое знание белковой укладки поможет решить вопрос со связью.

Другая биохимическая проблема старения, возможно, связана с ДНК и белками, занятыми «починкой» ДНК, которая урезается в ходе неоднократной репликации (см.: Список идей, 9. Генетические технологии).