вода преломляет и линзирует свет Солнца и на дне бассейна возникают светящиеся узоры.
Почему открытие темной материи важно для человечества
Темная материя давно перестала быть локальной проблемой отдельной науки. Узнав ее природу, мы гораздо лучше поймем, как устроен наш мир, и, возможно, получим доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.
В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание, какое красивое число – 1888!). За этим последовал шквал открытий. Ученые узнали, как устроен атом, открыли, что существуют галактики, начали использовать новые виды энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!
Сейчас 22-й год XXI века. И новым сравнимым по масштабу открытием может быть природа темной материи.
Даже если выяснится, что ее нет и это только нелепая гипотеза, все равно это приведет к перевороту в современной физике. Такое уже было в нашей истории. Ведь открытие электромагнитных волн отправило в небытие понятие «эфир», в котором якобы движутся все космические объекты. Никакого эфира нет, но это было важно доказать для дальнейшего прогресса в физике.
Вселенная, которую мы уже немного успели изучить, почти полностью «электромагнитная». То есть видимое вещество активно взаимодействует со светом. Все химические элементы, из которых мы состоим, воздух, которым мы дышим, пища, которую мы едим, наши дома и одежда и все, что мы можем видеть, – все это «нормальная» материя. Однако во Вселенной есть в пять раз больше массы, которая теоретически может не состоять из известных на сегодня 118 природных элементов. И человечеству важно узнать, из чего состоит эта скрытая масса.
Древние греки, например, знали об электричестве. Для них это был праздничный трюк – собрать клочки бумажки расчес-кой, намагниченной после причесывания.
Пока мы не начали всерьез экспериментировать с электричеством и магнетизмом, создавая двигатели и генераторы, человечество не представляло себе масштаб электромагнитного взаимодействия. Именно то, что мы поняли явление электромагнетизма, создало наш современный мир.
Понимание темной материи может быть в пять раз бóльшим технологическим благом, чем раскрытие секретов электричества. Просто потому, что за скрытой массой пропорционально стоит бóльшая часть Вселенной.
К открытию электромагнетизма тоже поначалу относились скептически, совершенно не понимая ни сути явления, ни как его можно использовать. Джеймс Максвелл, открывший знаменитые уравнения, описывающие электромагнитное поле, не мог объяснить журналисту, зачем они нужны.
Главным провидцем оказался знаменитый физик Майкл Фарадей – первооткрыватель электромагнитной индукции.
Английский государственный деятель и писатель Уильям Гладстон спросил Фарадея:
– Какая польза от вашего электричества?
На что Фарадей быстро нашелся:
– Однажды, сэр, вы сможете обложить его налогом!
Что впоследствии и подтвердилось. Ведь сейчас наш мир и вся промышленность и экономика крутятся вокруг электричества.
Темная материя может обеспечить прорыв не только на Земле, но и в космосе. Сейчас для ученых и инженеров очевидно, что с текущим уровнем знаний о космосе далекие звезды и тем более галактики нам не покорить (подробнее об этом мы поговорим в главе про космическую экспансию). И самый очевидный прорыв находится в разгадке тайны темной материи.
Это может быть нашим ключом к контролю за пространством-временем. Раскрыв тайну темной материи, мы получим надежду на полноценные межзвездные путешествия!
Ну и, наконец, мы сможем понять, как и почему расширяется наша Вселенная. И предсказать, что станет с ней в будущем.
Что же представляет собой темная материя? Четыре гипотезы
Предположений о том, что же такое темная материя, в современной физике огромное количество. Но глобально их все можно свести к четырем типам:
1. «Обычное» вещество. Темная материя может представлять собой совокупность черных дыр, нейтронных звезд, планет-изгоев и т. п. То есть различные объекты, которые трудно обнаружить.
Особенно яркими претендентами на титул «объекты для темной материи» были коричневые и красные карлики. Светятся они еле-еле, а мы точно знаем, что их в десятки раз больше, чем звезд типа нашего Солнца.
Эта гипотеза считалась весьма вероятной на заре исследования темной материи. Сейчас же к ней относятся скептически, ведь черные дыры и другие слабо излучающие объекты можно отлавливать по их взаимодействию с окружающей материей. По оценкам астрофизиков, на все эти объекты может приходиться максимум 10 % вещества галактик. Но никак не 80 %.
Впрочем, процент «нормального» вещества постоянно увеличивается. Методы обнаружения совершенствуются, мы можем замечать то, что ранее было скрыто. Все 80 % таким образом не объяснить, но часть – можно.
2. Темная материя состоит из частиц, которые мы еще не открыли. Вероятнее всего, эти частицы должны быть довольно крупными, так как проявляют себя в гравитационном взаимодействии. И эти частицы не заряжены, иначе они проявляли бы себя в электромагнитном взаимодействии.
Частицы темной материи, скорее всего, и сейчас прошивают Землю, пролетая сквозь нее с огромной скоростью. Но никак не взаимодействуют с ней. С одной стороны, их трудно поймать, с другой – от них трудно экранироваться. И это плюс – значит, частицы темной материи есть везде. Осталось только обнаружить их.
Что это может быть? Например, нейтрино. Масса нейтрино практически нулевая, нейтрино слабо взаимодействует с приборами. Эти частицы ежедневно прошивают нашу Землю, но уловить их практически невозможно. А что, если во Вселенной их такое громадное количество, что даже при их практически нулевой массе они могут внести существенный вклад? И оказаться тем самым элементом темной материи.
Есть и гипотетические частицы – например, аксионы. У них нулевой заряд, и при взаимодействии они распадаются на два фотона. Но пока аксионы существуют только на уровне гипотезы.
И открытым остается вопрос, составляют ли эти частицы некое подобие «обычной» материи. Могут ли разные частицы объединяться, например, в атомы «темного вещества»?
В любом случае гипотеза, что в основе темной материи лежат какие-либо неуловимые частицы, пока является лидиру-ющей в научном сообществе.
Сейчас ученые по всему миру пытаются эти частицы отловить. Напрямую это сделать очень сложно (они же, как мы помним, «не любят» взаимодействовать с приборами).
Ученые и инженеры постоянно создают хитроумные детекторы для различных частиц – кандидатов на звание «элементов темной материи».
