Geum.ru

Мичио каку параллельные миры «софия» 2 0 0 8 Об устройстве мироздания, высших измерениях и булушем Космоса

Вид материалаДокументы

Содержание


Как рождаются звезды
Птичий помет и Большой Взрыв
Большой Взрыв и психология
Омега и темная материя
Спутник СОВЕ
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24
часть дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7, которые присутствуют в
природе. Но более тяжелые элементы были, в основном, созданы в
ядрах звезд, как утверждал Хойл. Если мы прибавим элементы тяже-
лее железа (медь, цинк и золото), которые возникли из обжигающего
жара сверхновых звезд, то мы получим завершенную картину, объяс-
няющую соотношение всех элементов во Вселенной. (Любая теория,
соперничающая с нынешними взглядами космологов, столкнулась бы

с задачей немыслимой сложности: объяснить возникновение более
сотни элементов во Вселенной и множества их изотопов.)


Как рождаются звезды

Одним из неожиданных результатов жаркого спора по поводу ну-
клеосинтеза стало довольно полное описание жизненного цикла
звезд. Стандартная звезда, такая, как наше Солнце, начинает жизнь
как огромный шар разреженного водорода, называемый протозвез-
дой; постепенно шар сжимается под воздействием силы гравитации.
Начиная сжиматься, этот шар ускоряет вращение (что часто влечет
за собой образование двойной звездной системы, где две звезды
следуют друг за другом по эллиптическим орбитам, или образование
планет в плоскости вращения звезды). Ядро звезды очень сильно
разогревается, достигая температуры приблизительно в 10 млн
градусов и более, при которой происходит нуклеосинтез водорода с
образованием гелия.

Когда звезда раскаляется, ее называют звездой главной последо-
вательности. Она может гореть около 10 млрд лет, сначала сгорает
водород, а потом гелий. Наше Солнце сейчас находится в срединной
точке этого процесса. По окончании периода сгорания водорода
начинает гореть гелий, вследствие чего звезда невероятно расширя-
ется — до размеров орбиты Марса — и становится «красным ги-
гантом». После того какгелиевое топливо истощается, внешние слои
звездного ядра рассеиваются, обнажая ядро — «белый карлик»
размером с Землю. Такими-то белыми карликами и встретят свою
смерть звезды небольшого размера — вроде нашего Солнца.

В звездахже, масса которых превосходит массу Солнца в 10-40 раз,
процесс нуклеосинтеза протекает намного быстрее. Когда звезда ста-
новится красным сверхгигантом, в ее ядре стремительно синтезиру-
ются легкие элементы, и поэтому звезда выглядит как некий гибрид:
белый карлик внутри красного гиганта. В этом белом карлике могут
синтезироваться легкие элементы (с атомным весом ниже железа),
составляющие периодическую таблицу элементов. Когда процесс
нуклеосинтеза достигает этапа, на котором создается железо как эле-
мент, энергия в процессе нуклеосинтеза больше не вырабатывается,
и по прошествии миллиардбв лет ядерные меха наконец прекращают

свою работу. В этот момент звезда внезапно коллапсирует, создавая
огромные давления, которые фактически вталкивают электроны в
ядра. (Создаваемая плотность может в 400 миллиардов раз превос-
ходить плотность воды.) В результате температура подскакивает до
триллионов градусов. Энергия гравитации, сконцентрированная
в этом крошечном объекте, вызывает взрыв, создавая сверхновую
звезду. Высокая температура взрыва снова вызывает нуклеосинтез и
синтезируются элементы с атомным весом выше железа по периоди-
ческой таблице.

Например, красная звезда-сверхгигант Бетельгейзе, легко разли-
чимая в созвездии Ориона, неустойчива; она может в любой момент
взорваться как сверхновая, испуская огромные количества гамма-лу-
чей и рентгеновских лучей. Когда это случится, сверхновая будет вид-
на даже днем, а ночью, возможно, затмит Луну. (Когда-то считалось,
что колоссальная энергия, освободившаяся при взрыве сверхновой,
уничтожила динозавров 65 млн лет тому назад- Вообще, сверхновая,
находись она на расстоянии около 10 световых лет от нас, могла
бы уничтожить всю жизнь на Земле. К счастью, звезды-кандидаты
в сверхновые — Спика и Бетельгейзе — находятся на расстоянии
260 и 430 световых лет соответственно: это слишком далеко от нас,
чтобы причинить какие-либо серьезные повреждения Земле, когда
они в конце концов взорвутся. Но некоторые ученые считают, что
вымирание некоторых морских организмов два миллиона лет тому
назад было вызвано именно взрывом сверхновой на расстоянии
120 световых лет от Земли.)

Это означает, что Солнце не является истинной «матерью»
Земли. Хотя многие народы Земли почитали Солнце как бога, со-
творившего Землю, такой подход верен лишь отчасти. Хотя изна-
чально Земля произошла от Солнца (будучи частью эклиптической
плоскости звездных обломков и пыли, циркулировавших вокруг
Солнца 4, 5 млрд лет назад), температура нашего Солнца высока
лишь настолько, чтобы был возможен процесс нуклеосинтеза водо-
рода с образованием гелия. Это означает, что нашей истинной «ма-
терью»-солнцем была безымянная звезда (или скопление звезд),
погибшая миллиарды лет назад при взрыве сверхновой, в результате
которого близлежащие туманности оказались насыщены элемен-
тами с атомным весом выше железа, из которых состоят наши тела.

Точнее, наши тела состоят из звездной пыли, из звезд, которые по-
гибли миллиарды лет назад.

После взрыва сверхновой остается лишь то, что сегодня называ-
ется нейтронной звездой, которая состоит из плотного ядерного ве-
щества, сжатого до размеров Манхэттена — почти 30 км. (Впервые
существование нейтронных звезд было предсказано в 1933 году
Фрицем Цвикки, но это казалось настолько фантастичным, что на
протяжении десятилетий ученые не обращали на его слова внима-
ния.) Поскольку нейтронная звезда испускает излучение нерегуляр-
но, а также вращается с огромной скоростью, она похожа на враща-
ющийся маяк, испускающий вспышки света в процессе вращения.
При наблюдении с Земли кажется, что нейтронная звезда пульсирует,
отсюда и ее название — пульсар.

Чрезвычайно большие звезды, имеющие массу, возможно, в 40 раз
превышающую массу Солнца, взорвавшись в конце концов как
сверхновые, могут оставить после себя нейтронную звезду, масса
которой больше трех солнечных масс. Гравитация этой нейтронной
звезды настолько велика, что она может противодействовать силе
отталкивания, возникающей между нейтронами, и звезда совершит
свой заключительный коллапс и превратится в самый необычный,
скорее всего, объект Вселенной — черную дыру, о которой я поведу
речь в пятой главе.


Птичий помет и Большой Взрыв

Смертельным ударом в самое сердце теории стационарной Вселен-
ной стало открытие Арно Пензиаса и Роберта Вильсона в 1965 году.
Работая с шестиметровым радиотелескопом в лаборатории Белл
в городе Холмдел, они, ловя радиосигналы из космоса, поймали
странный радиошум. Сначала они решили, что этот шум — результат
какого-то отклонения в работе системы, поскольку получалось, что
шум поступает равномерно со всех направлений, а не от конкретной
звезды или галактики. Чтобы исключить возможное влияние грязи
и мусора, они тщательно отчистили рупор телескопа от того, что
Пензиас деликатно назвал «слоем белого диэлектрического веще-
ства» (популярное его название у астрономов — «птичий помет»).
В результате сила радиошума только возросла. Они и не подозревали,

что случайно наткнулись на микроволновое реликтовое излучение,
существование которого было предсказано Георгием Гамовым и его
коллегами еще в 1948 году.

Довольно долго история космологии напоминала старые фильмы
о кистоунских полицейских, в которых три группы копов пытаются
раскрыть преступление, даже не подозревая о существовании друг
друга. С одной стороны, Гамов, Альфер и Херман заложили основы
теории микроволнового реликтового излучения в 1948 году; они
предсказали, что температура этого излучения составляет 5 градусов
выше абсолютного нуля. Идею об измерении микроволнового кос-
мического излучения они оставили, поскольку приборы, имевшиеся
тогда в их распоряжении, не обладали достаточной чувствительнос-
тью даже для того, чтобы его обнаружить. В 1965 году Пензиас и
Вильсон все-таки обнаружили излучение абсолютно черного тела,
но не поняли этого. В то же время третья группа под руководством
Роберта Дикке из Принстонского университета вновь обратилась к
теории Гамова и его коллег и теперь активно занималась вопросом
улавливания микроволнового реликтового излучения, но существо-
вавшее оборудование было до прискорбия примитивным, чтобы его
уловить.

Эта комическая ситуация нашла свое завершение, когда астроном
Бернард Берк, общий друг Пензиаса и Дикке, рассказал первому
о работе второго. Когда две группы исследователей наконец объ-
единились, стало ясно, что Пензиас и Вильсон уловили сигналы,
оставшиеся после того самого Большого Взрыва. За это важное от-
крытие Пензиас и Вильсон в 1978 году были удостоены Нобелевской
премии.

Оглядываясь на прошлое, можно вспомнить, как Хойл и Гамов, два
самых знаменитых автора противоречащих друг другу теорий, встре-
тились в 1956 году в «кадиллаке»: эта судьбоносная встреча могла из-
менить весь ход развития космологии. «Я помню, как Георгий возил
меня в белом кадиллаке», — вспоминал Хойл. Гамов тогда напомнил
Хойлу о своем утверждении, что после Большого Взрыва осталось из-
лучение, которое можно увидеть даже сегодня. Однако, согласно по-
следним расчетам Гамова, температура этого излучения была около
50 градусов. Тогда Хойл поделился с Гамовым информацией, которая
стала для последнего шокирующим открытием. Хойлу была извест-

на не нашедшая признания работа, написанная в 1941 году Эндрю
Маккеларом, в которой автор утверждал, что температура открыто-
го космоса не может превышать трех градусов по Кельвину. При бо-
лее высоких температурах происходили бы новые реакции, которые
создали бы соединения углерода с водородом (CN) и азотом (СН) в
возбужденном состоянии в открытом космосе. Измерив спектр этих
химических элементов, можно было определить температуру откры-
того космоса. По сути, он выяснил, что плотность молекул CN, обна-
руженных им в космосе, указывает на температуру в 2,3° К. Другими
словами, микроволновое излучение с температурой в 2,7°К уже было
как бы открыто в 1941 году, о чем Гамов не имел понятия.

Хойл вспоминал: «Случилось ли это потому, что «кадиллак» был
слишком удобен, или потому, что Георгий настаивал на температуре
выше 3°, а я — на равной нулю, мы упустили свой шанс сделать от-
крытие, которое девятью годами позже сделали Арно Пензиас и Боб
Вильсон». Если бы группа Гамова не сделала ошибку в расчетах и
пришла к более низкой температуре или если бы Хойл не относился
столь враждебно к теории Большого Взрыва, то история космологии,
возможно, оказалась бы иной.


Большой Взрыв и психология

Открытие микроволнового фона Пензиасом и Вильсоном решаю-
щим образом повлияло на карьеру Гамова и Хойла. Хойла их работа
чуть не вогнала в гроб. В конце концов в 1965 году на страницах жур-
нала «Нэйчер» (Nature) Хойл официально признал свое поражение,
приводя в качестве аргументов отказа от теории стационарной
Вселенной микроволновое реликтовое излучение и относительное
содержание гелия. Но что его действительно беспокоило, так это
тот факт, что теория стационарной Вселенной потеряла свою про-
гностическую силу: «Всем известно, что существование микровол-
нового реликтового излучения убило космологию "стационарной
Вселенной", но что действительно убило теорию "стационарной
Вселенной" — так это психология... Здесь, в микроволновом излу-
чении, заключалось важное явление, которого она не предсказала за
многие годы, и это сбило с меня спесь». (Позднее Хойл вернулся на
прежние позиции, безуспешно пытаясь работать с другими версия-

ми теории стационарной Вселенной, но каждый новый вариант был
все менее правдоподобным.)

К несчастью, вопрос о первенстве открытия оставилв душе Гамова
неприятный осадок. Гамов, если читать между строк, был недоволен
тем, что его собственная работа, а также работы его сотрудников так
мало упоминались, если вообще упоминались. Неизменно вежли-
вый, он помалкивал о своих чувствах, но в личных письмах отмечал
несправедливость того, что физики и историки науки полностью
проигнорировали их работу.

Хотя работа Пензиаса и Вильсона нанесла сокрушительный удар
по теории стационарной Вселенной и обеспечила твердую экспери-
ментальную основу теории Большого Взрыва, в понимании струк-
туры расширяющейся Вселенной существовали огромные пробелы.
Например, в модели Вселенной Фридмана для того, чтобы понять, как
эволюционирует Вселенная, необходимо знать значение ы, средней
плотности Вселенной. Однако определение ее оказалось довольно
проблематичным, когда ученые обнаружили, что Вселенная состоит
не только из известных нам атомов и молекул, а еще и из незнакомой
новой субстанции, называемой «темным веществом», которая весит
в 10 раз больше обычного вещества. И снова блестящие достижения
в этой области не были восприняты всерьез астрономическим со-
обществом.


Омега и темная материя

История темной материи, возможно, одна из самых необыкно-
венных историй космологии. В далекие 1930-е годы независимый
швейцарский астроном Фриц Цвикки из Калифорнийского техно-
логического института заметил, что движение галактик в скоплении
галактик Кома не соответствовало теории гравитации Ньютона. Он
обнаружил, что скорость движения галактик такова, что, по законам
движения Ньютона, они должны были разлететься в стороны, а ско-
пление — распасться. Цвикки решил, что единственным возможным
объяснением того, что скопление Кома удерживается, а не разлетает-
ся в стороны, могло служить лишь то, что в скоплении — в сотни раз
больше материи, чем можно было увидеть в телескоп. Либо законы
Ньютона действовали как-то неверно на межгалактических расстоя-

ниях, либо существовало огромное количество невидимой материи
в скоплении Кома, которая не давала ему распасться.

Это стало первым свидетельством в истории, что чего-то крайне
недоставало в отношении распространения материи по Вселенной.
К несчастью, астрономы во всем мире либо не заметили пионерскую
работу Цвикки, либо дружно отвергли его выводы по нескольким
причинам.

Первая из них заключалась в том, что астрономы не склонны
были верить в то, что теория гравитации Ньютона, занимавшая ве-
дущее положение в физике на протяжении нескольких веков, может
быть неправильной. Уже существовал прецедент такого кризиса в
астрономии. Во время исследования орбиты Урана в XIX ст. было
обнаружено, что она раскачивается — очень немного, но отклоняясь
от уравнений Исаака Ньютона. Так что либо Ньютон ошибался, либо
должна была существовать новая планета, чья гравитация воздей-
ствовала на Уран. Именно второе предположение оказалось верным,
и при первой же попытке, совершенной в 1846 году при анализе
предполагаемого положения планеты согласно законам Ньютона,
была обнаружена планета Нептун.

Во-вторых, существовала такая проблема, как личность самого
Цвикки и то, как астрономы относились к «аутсайдерам». Цвикки
был фантазером, на протяжении жизни над ним часто смеялись
или просто не обращали на него внимания. В 1933 году вместе с
Вальтером Бааде он придумал термин «сверхновая звезда» и пред-
сказал, что после взрыва останется крошечная нейтронная звезда
около 22 км в поперечнике. Эта идея показалась всем настолько
абсурдной, что ее 19 января 1943 года даже высмеяли в комиксе на
страницах «Лос-Анджелес тайме». Цвикки страшно обозлился на
маленькую элитарную группу астрономов, которые, как он думал,
отказывали ему в признании, крали его идеи и не давали ему времени
для наблюдений на 250-сантиметровом и 500-сантиметровом теле-
скопах. (Незадолго до своей смерти в 1974 году Цвикки на собствен-
ные средства опубликовал каталог галактик. Каталог открывался
заголовком «Напоминание корифеям американской астрономии
и их подхалимам». В очерке была яростная критика узкой, закоре-
нелой в своих традиционных взглядах элиты астрономов, которые
стремились изо всех сил препятствовать работе таких независимых

астрономов, как он сам. «Сегодняшние подхалимы и самые настоя-
щие воры, особенно в Американском астрономическом обществе,
кажется, совершенно свободно присваивают открытия и изобрете-
ния, сделанные волками-одиночками и инакомыслящими», — писал
он. Цвикки назвал этих людей «сферическими ублюдками», потому
что «они ублюдки, с какой стороны на них ни глянь». Он был разъ-
ярен, потому что его обошли вниманием и Нобелевскую премию за
открытие нейтронной звезды дали кому-то другому.)

В 1962 году астроном Вера Рубин заново открыла любопыт-
ную проблему галактического движения. Она изучала вращение
Галактики Млечный Путь и столкнулась с той же самой проблемой:
астрономическое сообщество не приняло ее выводы. Обычно,
чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее она вра-
щается. Чем ближе, тем быстрее она вращается. Именно поэтому
Меркурий назван по имени бога скорости — он располагается
очень близко к Солнцу, и именно поэтому скорость Плутона в 10 раз
меньше скорости Меркурия — Плутон располагается дальше всех
планет от Солнца. Однако когда Вера Рубин внимательно изучила
голубые звезды нашей Галактики, она обнаружила, что звезды вра-
щаются с неизменной скоростью, вне зависимости от расстояния
до центра Галактики (плоского вращающегося диска), тем самым
нарушая принципы механики Ньютона. По сути, она обнаружила,
что Галактика Млечный Путь вращалась настолько быстро, что, по
справедливости, ее звезды должны бы были разлететься в разные
стороны. Но Галактика пребывала во вполне устойчивом состоянии
на протяжении приблизительно 10 млрд лет; оставалось загадкой,
почему ее вращающийся диск плоский. Чтобы- не развалиться, она
должна бы быть в 10 раз тяжелее, чем считали ученые в то время. Было
очевидно, что не учтено 90 % массы всей Галактики!

Работу Веры Рубин проигнорировали, может быть, потому, что
автором ее была женщина. С некоторой болью Рубин вспоминала,
что, когда она поступала в колледж на специальность «естествен-
ные науки» и случайно обмолвилась преподавателю в приемной
комиссии, что ей нравится рисовать, тот спросил: «А вы никогда не
рассматривали возможность сделать карьеру, делая зарисовки астро-
номических объектов?» Она писала: «Это стало ключевой фразой у
нас в семье: на протяжении многих лет, когда что-то у кого-то из род-

ственников шло не так, мы говорили: 'А вы никогда не рассматривали
возможность сделать карьеру, делая зарисовки астрономических
объектов?" Когда Вера сказала своему школьному преподавателю
физики, что ее приняли в Вассарский колледж, тот ответил: «У тебя
все получится, только держись подальше от науки». Позднее она
вспоминала: «Необходима невероятно высокая самооценка, чтобы
выслушивать подобные вещи и не сломаться».

По окончании учебы Рубин подала заявление о принятии ее на
вакантную должность преподавателя в Гарвард, и ее приняли, но
она отказалась, потому что вышла замуж и уехала вместе с мужем-
химиком в Корнелл. (Она получила ответ из Гарварда, где внизу были
от руки приписаны следующие слова: «Черт побери этих женщин!
Каждый раз, как я нахожу то, что нужно, они уезжают и выходят за-
муж» .) Недавно она приняла участие в астрономической конферен-
ции в Японии, где была единственной женщиной. «Я, правда, долгое
время не могла об этом рассказывать без слез, потому что, конечно,
за одно поколение... немногое изменилось», — признавалась Вера
Рубин.

Тем не менее несомненная значимость ее работы, а также рабо-
ты других ученых постепенно начали убеждать астрономическое
сообщество в существовании проблемы «отсутствующей» массы.
К 1978 году Вера Рубин и ее коллеги тщательно изучили вращение
11 галактик; все они вращались слишком быстро, чтобы законы
Ньютона позволили им оставаться единым целым. В том же году
голландский радиоастроном Альберт Бозма опубликовал самый
подробный анализ десятков спиральных галактик: почти все они
демонстрировали то же самое аномальное поведение. Казалось, что
это наконец убедило астрономическое сообщество в существовании
темного вещества.

Простейшим решением этой удручающей проблемы было пред-
положение, что галактики окружены невидимым ореолом, который
содержит в себе в 10 раз больше вещества, чем звезды. С тех пор
появились более совершенные приборы для определения наличия
этой «темной» материи. Одной из наиболее впечатляющих является
возможность измерения искривления звездного света при его про-
хождении сквозь невидимое вещество. Подобно линзе очков, тем-
ная материя может преломлять свет (благодаря своей невероятной

массе, а следовательно, и силе гравитации). Недавно при тщательном
компьютерном анализе фотографий, сделанных при помощи косми-
ческого телескопа Хаббла, ученые смогли создать карту распределе-
ния темной материи во Вселенной.

И сейчас продолжаются ожесточенные споры о том, из чего со-
стоит темная материя. Некоторые ученые считают, что она может
состоять из обычного вещества, которое просто плохо различимо
(то есть из коричневых звезд-карликов, нейтронных звезд, черных
дыр и так далее, которые практически невидимы). Такие объекты рас-
сматриваются в целом как «барионное вещество», то есть вещество,
состоящее из известных барионов (таких, как нейтроны и протоны).
Все вместе они называются МАСНО (сокращение, обозначающее
«массивные компактные объекты гало»).

Другие считают, что, возможно, темная материя состоит из очень
горячего небарионного вещества, такого, как нейтрино (его так и
называют — горячим темным веществом). Однако нейтрино дви-
жутся настолько быстро, что на их счет нельзя списывать все скопле-
ние темной материи в галактиках, наблюдаемое в природе. Третьи
опускают руки и считают, что темная материя представляет собой
принципиально новый вид вещества, называемого «холодное тем-
ное вещество», или WIMPS («слабо взаимодействующие массивные
частицы»), и, пожалуй, это лучшая «кандидатура» для объяснения
темной материи.


Спутник СОВЕ

При помощи обычного телескопа, рабочей лошадки астрономии
еще со времен Галилея, видимо, невозможно разрешить загадку
темной материи. Астрономия продвинулась очень далеко, исполь-
зуя обычные оптические средства, имеющиеся на Земле. Однако в
1990-е годы появилось новое поколение астрономических прибо-
ров, сконструированных с использованием новейших спутниковых
технологий, лазеров и компьютеров, которые полностью изменили
лицо космологии.

Одним из первых плодов богатого урожая стал спутник СОВЕ
(космический аппарат для изучения реликтового излучения), за-
пущенный в ноябре 1989 года. Если работа Пензиаса и Вильсона

подтвердила лишь некоторые данные, вписывающиеся в теорию
Большого Взрыва, спутник СОВЕ измерил множество параметров,
которые в точности соответствовали прогнозам Гамова и его сотруд-
ников, выдвинутым в 1948 году, об излучении абсолютно черных тел.

В 1998 году на собрании Американского астрономического
общества 1500 ученых внезапно вскочили и разразились бурными
аплодисментами при виде фотографий, сделанных спутником СОВЕ,
которые практически полностью согласовывались с тем фактом, что
температура микроволнового реликтового излучения составляет
2,728° К.

Принстонский астроном Джереми Острайкер заметил: «Когда
были обнаружены окаменелости в скалах, это совершенно четко
обозначило происхождение видов. Что ж, спутник СОВЕ нашел ока-
менелости [Вселенной]».

Однако фотографии, сделанные со спутника СОВЕ, были доволь-
но размытыми. Например, ученые хотели проанализировать «го-
рячие точки», или флуктуации космического фонового излучения,
флуктуации, которые должны были составлять около одного градуса
в поперечнике. Но оборудование спутника СОВЕ было способно
уловить флуктуации только семи и более градусов в поперечнике,
оно не было достаточно чувствительным, чтобы обнаружить эти ма-
ленькие горячие точки. Ученые были вынуждены ждать результатов
работы спутника WMAP, запуск которого ожидался в начале века;
они надеялись, что новые данные помогут разрешить массу вопросов
и загадок.