Физика, как ни парадоксально звучит, — наука наиболее разношёрстная, неизученная и неполноценная. И это мнение не только научных журналистов, но и самих учёных, понимающих как много ещё им предстоит открыть. Взять ту же Теорию относительности Эйнштейна: она идеально работает для планет и галактик, но для микромира субатомных частиц она совершенно непригодна. В микроскопических масштабах правит квантовая физика.
Если даже теоретические модели физики не могут объединиться, то что уж говорить об экспериментальных наблюдениях. Здесь как в притче об истине и слоне: один слепой мудрец сказал, что истина — это огромное и необъятное, потрогав слона за брюхо, другой — что она длинная и гибкая, коснувшись хобота животного, а третий — что у истины кисточка на тонком стебельке — как у хвоста.
И всё же, существуют в мире науки неоспоримые результаты наблюдений и идеальные с математической точки зрения гипотезы, в которых действительно интересно разобраться. Ведь они могут открыть такие просторы для размышлений, что попытка осмыслить бесконечность Вселенной покажется детской загадкой о качелях.
Тёмная материя
В марте 2013 года учёные из Европейского космического агентства получили результаты наблюдений космической обсерватории «Планк», изучавшей микроволновое фоновое излучение — свет, оставшийся в космосе после того самого Большого взрыва. Вместе с точной картой этого реликтового излучения физикам удалось составить наиболее полную диаграмму состава Вселенной.
Выяснилось: на долю обычной материи, из которой состоим мы с вами, звёзды, планеты и все остальное, приходится всего 4,9% от общего состава. 26,8% приходится на долю тёмной материи; больше всего во Вселенной тёмной энергии — 68,3%. Осознав ничтожность наших галактик, кластеров и туманностей, учёные заволновались: что это такое, и почему мы до сих пор ничего об этом не знаем?
Тёмную материю можно охарактеризовать всего двумя словами: «вездесущая» и «неуловимая». Если вспоминать школьный курс физики, то можно припомнить, что видов взаимодействия (по крайней мере, нам известных) существует всего четыре — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Всё, что мы можем увидеть или засечь каким-либо прибором, обязательно будет участвовать в электромагнитном взаимодействии, однако тёмная материя, как назло, этим не занимается.
Теоретики решили, что если есть материя, значит, она из чего-то состоит. В смысле, из каких-то частиц, похожих на наши атомы, или по крайней мере, протоны и электроны. Как только ни пытались назвать эти частицы физики — тёмными атомами, аксионами, космионами, тяжёлыми нейтрино. Наконец, сравнительно недавно с названием для частиц тёмной материи определились. Их назвали вимпами.
Астрономический спутник «Планк».
Вимп — грубая калька с английской аббревиатуры WIMP, которая расшифровывается как Weakly Interacting Massive Particles, то есть, «слабо взаимодействующие массивные частицы». Из четырёх видов взаимодействий вимпы участвуют только в двух — слабом, как видно из названия, и гравитационном, как видно из наблюдений. Астрономы постоянно сталкиваются с гравитационной тягой, которую оказывают скопления тёмной материи на наши родные звёзды и галактики.
На этом познания физиков о тёмной материи заканчиваются, если, конечно, не учитывать массу громоздких расчётов. Совершенно неясно, какой массой обладают эти частицы: одни расчёты указывают на 6-8 гигаэлектронвольт, другие — на 33 гигаэлектронвольта, а третьи дают вообще несопоставимые с реальностью данные.
Также непонятно, как поймать злосчастные вимпы. Пока что физики-экспериментаторы пытаются зафиксировать случаи взаимодействия тёмной материи с обычной и используют для этого сверхчувствительные детекторы. Участники эксперимента LUX («Большой подземный ксеноновый детектор»), к примеру, недавно заявили об отрицательных результатах своих трёхмесячных поисков, и о том что искомых вимпов малой массы найдено не было.
Пока весь мир ждет, когда будут выделены средства на постройку более чувствительных и крупных детекторов, остается только фантазировать, что же такое тёмная материя и тёмная энергия, и что они скрывают под своей темнотой.
Чёрные дыры
Чёрные дыры — фактически мёртвые звёзды. Они не имеют ничего общего с тёмной материей и являются вполне обычными с определённой точки зрения объектами. После того, как массивное светило напрочь исчерпает свой запас топлива и взорвётся сверхновой, образуется собственно чёрная дыра.
Это тело представляет собой сверхплотную точку — так называемую сингулярность — аналогичную тому, что представляла собой Вселенная в момент Большого взрыва. Сингулярность окружена горизонтом событий — гипотетической границей, за которую не может выйти ни материя, ни свет, ни даже информация. К слову, знаменитый Стивен Хокинг немного несогласен с последним утверждением: его именем названо так называемое излучение Хокинга, представляющее собой частицы, которым всё же удалось выпрыгнуть за пределы горизонта событий.
После осознания того факта, что чёрные дыры удерживают своей гравитацией целые галактики и обладают массами, равными миллионам солнечных, но крайне малыми размерами, начинается самое интересное.
Вполне доказанным является тот факт, что в чёрных дырах нет времени. Совсем нет. Оно вообще не идёт. Как не шло до Большого Взрыва. При приближении к чёрной дыре время замедляется, а потом останавливается вовсе. Одни и те же часы в космосе, где гравитация Земли не действует, идут быстрее, пусть и на такие доли секунды, которые для нас совершенно незаметны. Но одно дело Земля, а совершенно другое — чёрная дыра с исполинской массой. Полная остановка времени удивительна сама по себе, но теоретикам и этого мало. Они придумали массу интересных гипотез, абсолютно идеальных с математической точки зрения и поражающих воображение.
Например, американский физик польского происхождения Никодем Поплавский (Nikodem Poplawski) из университета Нью-Хейвена рассказал, что чёрные дыры могут быть фабричными печами для создания мельчайших семян материи. Теоретик уверен, что каждая чёрная дыра содержит в себе свою Вселенную, похожую на нашу. Согласно гипотезе Поплавского, все мы тоже живём внутри чёрной дыры и если прыгнем в чёрную дыру в центре Млечного Пути, то окажемся в параллельной Вселенной. Правда, скорее всего, в виде мельчайших частиц.
Чуть ранее другой теоретик, Ниайес Афшорди (Niayesh Afshordi) из Института теоретической физики «Периметр» предложил не менее экстравагантную гипотезу. Он зацепился за невероятное сходство сигнулярностей чёрных дыр и бесконечно малой точки, которую представляла собой Вселенная до Большого Взрыва. Космологи считают, что собственно Взрыв — единственное событие, которому не было причины. Но Афшорди не согласен.
Он предположил, что в параллельном измерении существует другая Вселенная, но не трёхмерная, как наша, а четырёхмерная. Поэтому наша трёхмерность — всего лишь горизонт событий четырёхмерной чёрной дыры, и образовалась наша Вселенная в момент взрыва сверхновой, выброса вещества и рождения чёрной дыры в четырёх измерениях. Эта версия идеально подходит для объяснения странной равномерности температурного фона, которого вряд ли могла достичь Вселенная за 13,8 миллиардов лет своего существования.
Квантовая механика
Квантовая механика скрывает за собой самые интересные тайны Вселенной. Выше уже было сказано: законы квантовой механики идеально функционируют для описания взаимодействий субатомных частиц, однако для описания природы массивных тел, будь то стул и стол или звезда и галактика, квантмех непригоден.
Но что будет, если включить фантазию? В этом разделе физики есть, как минимум, два явления, достойных внимания и ближайшего рассмотрения. Первое из них называется суперпозиция. Некая частица обладает сразу несколькими состояниями до тех пор, пока её не измерят — всё зависит от нас, наблюдателей. Здесь же уместно вспомнить замученного интернет-пользователями кота Шрёдингера: теоретик придумал этот мысленный эксперимент именно для иллюстрации понятия суперпозиции — кот жив и мёртв одновременно, пока коробку не откроют и наблюдатель не сыграет свою роль.
По принципу суперпозиции строятся квантовые компьютеры. В них вместо привычных битов функционируют кубиты (qubit, quantum bit — квантовый бит), которые принимают значения «0» и «1» одновременно. За счёт этого увеличивается скорость вычислений и, соответственно, производительность компьютера.
Другое квантовомеханическое явление называется квантовой запутанностью. Представьте себе две частицы, разведённые по разным концам Вселенной. Если они «запутаны» друг с другом, то как только одна из них примет определённое состояние, другая мгновенно пример противоположное. Если бы они сообщались посредством какого-либо электрического сигнала, то он шёл бы миллиарды лет, а тут смена происходит одновременно.
Фантазии на тему квантовой запутанности приводят учёных к разным выводам. Например, крупная команда исследователей из Принстона, Стэнфорда и Вашингтонского университета рассмотрела это явление с точки зрения макромира, то есть Общей теории относительности. Как показали расчёты, с математической точки зрения связь запутанности между двумя частицами полностью идентична червоточине — гипотетическому туннелю между двумя чёрными дырами, сквозь который можно путешествовать по пространству и времени.
И если представить, что наша Вселенная — всего лишь голограмма, проекция от другой или других миров, это математически означает, что то, что мы видим как квантовую запутанность, есть червоточина, только в четырёхмерном мире.
Исследованием голографического принципа занимается и всю жизнь занимался аргентинец Хуан Малдасена (Juan Maldacena). Изучая квантовую механику, учёный пришёл к выводу, что с ОТО её может примирить лишь теория струн, пока что полностью математическая. В рамках этой теории действует принцип, согласно которому наша Вселенная — результат проекций нескольких других измерений, от каждой из последних взявший по одному измерению.
На одной идее о квантовой запутанности можно зайти очень далеко. В конце концов, мгновенная передача какой-либо информации есть прямо нарушение принципа непреодолимости скорости света. Если когда-нибудь кто-нибудь придумает, как заставить запутанные частицы передавать нужную нам информацию — а пока что к этому не подобрались даже теоретики — то у нас появится шанс, к примеру, связаться с обитателями далёких планет. Если на них, конечно, вообще кто-то живет.
А если придумают как по запутанности передавать материю, то мечты фантастов о телепортации станут реальностью.
* * *
Кстати, за чудесами физики не надо лезть ни в чёрную дыру, ни нырять внутрь атома, достаточно выйти завтра утром на пробежку. Знайте, чем быстрее вы бежите сквозь пространство, тем медленнее движетесь сквозь время. Так что душ будете принимать не только постройневшим, но и помолодевшим.
Текст: Ася Горина, редактор «Вести Наука».
