§ 22.4.2. Из чего состоит Вселенная?

На первый взгляд вопрос о том, из чего состоит Вселенная, кажется несерьезным. Если вы учились в нормальной школе «советского» образца, то без труда сразу ответите, что она состоит из материи, которая может быть в четырех агрегатных состояниях — твердом, жидком, газообразном и плазменном. Все верно, но это не совсем полный ответ. Вы немножко «отстали от жизни»! Попробуем объяснить.

Материальный мир — барионная материя

В рамках представлений, принятых в современной физике, привычная для нас форма материи (вещество) может быть названа барионной материей.

Барионная материя — материя, состоящая из барионов (протонов и нейтронов) и электронов. Именно об атомарной структуре такой материи мы и говорили выше.

Мы не будем углубляться в мир элементарных частиц (в частности, барионов) и сразу мысленно выйдем на галактические или даже вселенские просторы. Барионная материя — это обычное вещество Вселенной, из которого состоят планеты, звезды, Земля и все, что на ней есть в живой и неживой природе. Эта форма материи наблюдается нами в оптическом, радио- и иных диапазонах длин волн электромагнитного излучения.

Вращающиеся галактики и расширяющаяся Вселенная

В тридцатых годах прошлого века было строго научно доказано, что Вселенная расширяется. Этот факт породил множество вопросов. Почему это происходит, если силы гравитационного притяжения между отдельными частями Вселенной должны тормозить расширение? Процессы сжатия или расширения Вселенной зависят от ее суммарной массы. Какова же должна быть масса Вселенной и как она должна быть распределена, чтобы объяснить имеющиеся экспериментальные факты?

Дальнейшие астрофизические исследования не только не дали ответов на эти вопросы, но и преподнесли новые загадки. В рамках общепринятой модели Вселенной, состоящей из барионной материи, нельзя, например, объяснить аномально высокие скорости вращения внешних областей галактик и тот парадоксальный факт, что, вопреки закону гравитационного притяжения, которое должно замедлять разбегание галактик, Вселенная расширяется с ускорением.

Короче говоря, видимых в телескопы (в различных диапазонах электромагнитных излучений) «галактических структур» не хватало для объяснения того реального движения небесных тел, которое в многочисленных экспериментах фиксировали астрономы. Тогда и была высказана гипотеза о том, что объективно существуют новые формы материи и энергии, которые были названы «темными». Гипотеза о наличии «темной» материи и энергии в определенных местах Вселенной позволяет ученым объяснить как те «галактические» аномалии, которые были зафиксированы давно, так и те, что постоянно обнаруживают астрофизики в наши дни.

«Темная» материя и «темная» энергия

В последние годы в астрофизических экспериментах изучалось явление гравитационного линзирования, то есть эффекта искривления направления распространения электромагнитного излучения гравитационным полем космических объектов. Полученные в таких экспериментах данные однозначно доказывают факт существования «темной» материи в галактических скоплениях.

Расчеты показывают, что обычное видимое нами вещество составляет лишь менее 5% от того, из чего состоит наш мир. Все остальное представляет собой то таинственное «темное нечто», о котором мы практически ничего не знаем. Предполагается, что на просторах Вселенной частицы обычной материи «перемешаны» с частицами невидимой «темной» материи, взаимодействуя друг с другом за счет гравитационного притяжения.

Если задуматься о приведенных фактах, то получается весьма удивительная (даже жутковатая) картина. Галактики, звезды, планеты, наша Земля, живая и неживая природа (и, в конце концов, мы с вами) составляют лишь несколько процентов от того «темного» мира, окружающего и пронизывающего все вокруг, о котором мы не имеем ни малейшего представления.

— Так что же представляет собой «темная» материя в рамках воззрений современных физиков?

«Темная» материя (dark matter) — та форма материи, которая не обладает явно выраженными электромагнитными свойствами, то есть не испускает электромагнитного излучения (фотонов) и не взаимодействует с ним. Это удивительное свойство данной формы вещества не позволяет ее наблюдать (изучать, фиксировать) с помощью органов чувств и существующих научных методов. Обнаружить наличие «темной» материи можно только по создаваемым ею гравитационным эффектам, то есть она обладает массой, но не состоит из электрически заряженных элементарных частиц.

— Какие же типы «темной» материи существуют?

Барионная «темная» материя

Наиболее понятной представляется гипотеза о том, что «темная» материя, как и наша обычная, состоит из барионного вещества (протонов и нейтронов). Можно сказать, что эта материя должна быть аналогичной (подобной) нашей обычной земной материи, но не проявляющей (или слабо проявляющей) своих электромагнитных свойств. Атомы и молекулы различных веществ из такой материи не будут излучать, отражать или поглощать кванты электромагнитного поля (фотоны) и являются незаметными для человека и существующих регистрационных приборов. Частицы «темной» материи очень устойчивы и не распадаются на другие более легкие элементарные частицы, иначе они уже давно бы на них распались (за время существования Вселенной). Это позволяет предположить, что есть какой-то новый «закон сохранения гравитационных свойств «темной» материи» (по аналогии с «законом сохранения электрического заряда» для обычной материи).

Небарионная «темная» материя

Существует большое количество теоретических моделей, в которых физики пытаются описывать свойства невидимой небарионной материи. Это могут быть тяжелые и легкие нейтрино, а также широкий класс элементарных частиц (например, слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP), известных только узким специалистам. Не будем останавливаться на этом вопросе, так как он не имеет прямого отношения к теме данной книги.

«Темная» энергия

Эта энергетическая субстанция еще более странная, чем «темная» материя. Считается, что она не собирается в сгустки, а как бы «разлита» на просторах Вселенной. Тот факт, что Вселенная расширяется с ускорением (скорость расширения растет со временем), наводит на предположение, что «темная» энергия может обладать «антигравитационными» свойствами. Обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а астрофизики наблюдают обратный эффект.

Отметим, что понятие «темная» энергия отнюдь не означает, что некий таинственный вид энергии существует сам по себе. Это условное название отражает факт существования на просторах Вселенной какого-то пока неизвестного типа материи, которая обладает отмеченными выше свойствами.

Среди огромного количества нерешенных проблем «миросоздания» можно отметить и следующую. Есть факты, указывающие на то, что некоторые небесные тела возникли как бы из «ничего». Одной из гипотез, позволяющих объяснить эти факты, может быть предположение о том, что при каких-то условиях «темная» материя или «темная» энергия могут переходить (приобретать свойства) в обычную барионную материю, которую и регистрируют астрофизики в случае возникновения новых небесных тел из «ничего».

Изучение «темной» материи

Как мы уже отмечали выше, предполагается, что частицы «темной» материи (темные атомы и молекулы) являются электрически нейтральными. Поэтому существующие прямые методы изучения материалов, основанные на излучении, отражении или поглощении ими квантов электромагнитного поля, к «темной» материи неприменимы. «Темная» материя, будучи электрически нейтральной, ничего не излучает и не поглощает. При обычных (естественных) процессах экспериментально зафиксировать факты взаимодействия частиц «темной» материи с электронами или атомными ядрами нашей материи практически невозможно, поскольку, как мы показали выше, атомные ядра и электроны даже в твердых веществах находятся на огромных расстояниях друг от друга. Предполагается, что барионная «темная» материя устроена подобным образом, только создающие ее элементарные частицы не обладают электрическими зарядами. Даже если два этих типа материи будут «пронизывать» друг друга, то вероятность столкновения составляющих эти материи элементарных частиц чрезвычайно мала (вспомните «футбольный мяч» и «песчинку» на расстоянии более десяти километров от него).

Более того, мы не знаем природу частиц «темной» материи и, следовательно, не понимаем, чего можно ожидать от приближения друг к другу или «касания» материальных частиц, имеющих разную физическую природу. Вероятно, что даже при «столкновении» элементарных частиц или ядер элементов из разных материй не происходит их уничтожение (аннигиляция), иначе за время существования Вселенной от обычной барионной материи ничего бы не осталось, а количество темнобарионной материи только несколько уменьшилось бы. Возможно, на расстояниях, много больших размеров атомов двух типов материи, между ними проявляются силы гравитационного притяжения, а на субатомных расстояниях работают антигравитационные силы отталкивания. Исходя из вышесказанного видно, что весьма сложно провести эксперименты по обнаружению «темной» барионной материи, поскольку трудно даже теоретически обосновать, что, как и при каких условиях надо пытаться зафиксировать. Поэтому до сих пор «темная» материя не обнаружена в земных экспериментах.

К косвенным экспериментам можно отнести попытки обнаружить потоки вторичных частиц, возникающих при аннигиляции «темной» материи на просторах галактики или Вселенной. Однако пока это только планы, и прямые экспериментальные факты по регистрации таких излучений нам неизвестны. Основные научные работы по обнаружению «темной» материи ученые связывают с изучением самых различных излучений (фотонов и элементарных частиц) на галактических и вселенских просторах. Тем не менее может быть и другой подход к решению данной проблемы. Например, если принять к рассмотрению гипотезу доктора Нэвереста (см. ниже), то заняться изучением фундаментальных свойств темной материи можно и в обычных земных лабораториях, но об этом поговорим позже.

Природа «темной» энергии, как и «темной» материи, — одна из основных загадок фундаментальной физики нашего столетия. Разгадка природы данных «таинственных» явлений, несомненно, принесет совершенно новые знания, которые позволят раскрыть многие тайны не только галактических масштабов, но и тех «приземленных мистических явлений», которые и представляют интерес для читателей данной книги.