НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Полит.ру знакомит читателей с книгами, вошедшими в длинный список претендентов на премию «Просветитель.Перевод» 2022 года — в этом году в него вошли 16 книг по биологии, истории, физике и другим наукам. За выход в финал будут состязаться научно-популярные переводы с английского, немецкого и норвежского языков. Всего на конкурс было прислано более 120 заявок. Короткий список премии «Просветитель.Перевод» будет объявлен в октябре 2022 года. Лауреатов книжных премий «Просветитель» и «Просветитель.Перевод», а также победителя в новой номинации «ПолитПросвет» наградят 22 декабря, в годовщину смерти основателя премий Дмитрия Борисовича Зимина.

Издательский дом «Городец» представлен в длинном списке книгой норвежского астрофизика Йостейна Рисера Кристиансена «Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса» (перевод Евгении Ивановой, научный редактор Владимир Сурдин, редактор Анастасия Наумова, выпускающий редактор Борис Геласимов).

За могущественной видимой Вселенной, которая ночами окутывает нас, скрывается нечто иное и гораздо более впечатляющее. Большинство астрономов сегодня считают, что 95 % содержимого Вселенной невидимо. Всё, что мы наблюдаем в повседневной жизни и на красивых картинках с телескопа «Хаббл», составляет, вероятно, лишь 5 % от того, что скрывается в космосе. Остальное — темная материя и энергия — та часть реальности, которую мы только-только начали понимать. Так что же представляют из себя эти темные невидимые субстанции? И как мы можем быть настолько уверены в их существовании?

Эта книга уводит нас в путешествие по Вселенной, за пределы Солнечной системы и нашего родного Млечного Пути. А еще мы погрузимся в микроскопический квантовый мир, поближе познакомимся с силой тяжести, светом, физической составляющей невидимости, взрывающимися звездами-гигантами, сталкивающимися галактическими комками, сверхчувствительными детекторами в глубоких шахтах, гениальными учеными и «сферическими ублюдками».

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

Цвикки и быстрые галактики

Как показывает пример с Пулей, в скоплениях галактик, судя по всему, обитает темная материя. Скопление галактик — это как раз то самое место преступления, где были обнаружены одни из самых первых улик того, что мы считаем темной материей.

В 1933 году в не особо читаемом швейцарском журнале Helvetica Physica Acta появилась статья, автором которой был не особо известный швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки. Но в статье скрывалось революционное открытие — темная материя.

Чтобы одним из первых заявить о том, что Вселенная состоит из огромного количества невидимого вещества, мало обладать воображением и либеральными взглядами на природу и физику — нужна еще и невероятная уверенность в собственных доводах. Ну и не станем забывать о самоуверенности, избавляющей от страха допустить ошибку. И, что немаловажно, понадобятся солидные научные знания для обоснования гипотезы. Все это у Фрица Цвикки имелось.

 

Фриц Цвикки. Изображение взято из Fritz Zwicky Stiftung (http:// www.Zwickystiftung.ch) и публикуется с разрешения

Норвежцы привыкли, что оригинальные мыслители — например, Арне Несс и Питер Вессель Цапффе — нередко увлекаются скалолазаньем и поэтому не удивляются, когда великие рассуждения и горные виды спорта идут рука об руку. Поэтому они считают совершенно естественным, что Цвикки совмещал научную деятельность с альпинизмом. Цапффе описывает альпинизм как «…спорт для индивидуальностей, для оригиналов и аутсайдеров», а Цвикки однозначно можно отнести к оригиналам — и как ученого, и как человека. А раз уж мы затронули «норвежские» качества ученого, вспомним, что его отец, Фридолин Цвикки, служил норвежским консулом в болгарском городе Варна в первые годы жизни сына.

Однако же Фриц Цвикки считал себя швейцарцем и никогда даже не ступал на норвежскую землю. Американскую землю Цвикки, напротив, исходил вдоль и поперек, поскольку бóльшую часть жизни проработал профессором Калифорнийского технологического института (известном также как Калтех).

Для научной работы Цвикки характерны впечатляющая широта, креативность и дальновидность. Мы уже упоминали о его «открытии» темной материи — к нему мы вскоре вернемся. Но Цвикки не только обнаружил темную материю. Он, например, первым предположил, что скопления галактик могут выступать в роли гравитационных линз. Эту идею Цвикки впервые высказал в 1937 году, и, хотя до открытия скопления — гравитационной линзы пройдет еще 40 лет, важность такого подхода для современной астрономии очевидна и по сей день.

Другой пример — предсказание Цвикки существования нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это класс чрезвычайно компактных звезд, которые остаются после смерти обычных массивных звезд. Нейтронная звезда настолько сильно сжата, что небольшая бутылка из-под газировки с нейтронным веществом будет весить столько же, сколько вся вода в Мьёсе — глубочайшем озере Норвегии. Чтобы предсказать существование нейтронных звезд, настолько необычного класса объектов, что они отправляют весь здравый смысл в нокаут, необходим необычный и непредвзятый подход к исследованиям. Именно он и стал визитной карточкой Цвикки. Сегодня о существовании нейтронных звезд мы знаем, по крайней мере, благодаря излучаемым ими радиоволнам, так что и в этом Цвикки оказался прав.

Несмотря на консульский опыт своего отца, Фриц Цвикки вряд ли стал бы хорошим дипломатом: обходительностью он не отличался, зато честным был до жестокости и даже прославился колкими и нелестными характеристиками своих коллег. Самый известный пример — это прозвище «сферические ублюдки», которым Цвикки окрестил коллег-астрономов, а объяснял он свою логику так: «…на них с какой стороны ни посмотри — они ублюдки». Цвикки нечасто получал от коллег рождественские открытки, и этот факт, видимо, помешал ему прославиться еще сильнее, хотя вклад в науку он внес неоценимый.

Вращающиеся галактики в скоплении Кома

Революционное открытие темной материи Цвикки вылилось из скрупулезного наблюдения за скоплением Кома в созвездии Волосы Вероники — одним из ближайших к нам крупных скоплений галактик. Оно состоит из пары тысяч галактик и растягивается примерно на пятнадцать миллионов световых лет. Звучит внушительно. Но если мы попытаемся представить эти пятнадцать миллионов световых лет в перспективе, то в космических масштабах получится не очень много. Не больше размера 150 расположенных рядом Млечных Путей. А внутри этой области несколько тысяч галактик. Получается, что располагаются они довольно тесно, а значит, зависят от гравитационных сил друг друга. Это взаимное влияние и удерживает галактики вместе. Цвикки изучал, каким образом гравитационные силы в скоплениях влияют на движение самих галактик.

Я уже сравнивал скопление галактик с роем комаров. И в скоплении Кома галактики хаотично летают во всевозможных направлениях, совсем как комары. Отдельная галактика вполне может отдаляться от центра скопления с огромной скоростью, но гравитационные силы других галактик все равно окажутся сильнее, так что в конце концов она развернется и двинется внутрь. Поэтому скопление и не распадается.

Похожее явление наблюдается, когда подбрасываешь вверх камень. Теоретически камень можно подбросить с такой силой, что он улетит в космос и рано или поздно покинет Солнечную систему. На практике же это невозможно, ведь сила притяжения Земли не позволит ему настолько отдалиться. Но, допустим, что мы перенесем камень на меньшее небесное тело, например, на комету со странным названием 67P/Чурюмова — Герасименко, которую в 2014 году исследовал космический аппарат «Розетта». Масса этой кометы в разы меньше, чем у Земли, поэтому и сила притяжения слабее. Подбрось мы камень там — и скорости в 2 км/час вполне хватило бы, чтобы он навсегда покинул комету.

Таким образом, скорость, с которой камень способен двигаться, не улетая, зависит от массы тела, откуда этот самый камень брошен. Чем массивнее тело, тем быстрее камень двигается, не рискуя исчезнуть. То же самое происходит с галактиками, движущимися в скоплении. Там за гравитацию уже отвечает не Земля или комета, а суммарная масса всех остальных галактик. Если мы измерим, насколько быстро галактики движутся, при этом не разлетаясь, то сможем узнать массу всего скопления.

Но можно добиться и большего. Вернемся к камню, который мы подбрасывали вверх. Не нужно быть гением в этом нехитром деле, чтобы заметить взаимосвязь между скоростью броска и высотой. Если начальная скорость камня — 30 км/час, то он поднимется в воздух на три с половиной метра и лишь затем начнет падать. Но и высота, на которую взлетит камень, зависит опять же от мощности гравитации. Если бросить камень с той же скоростью, стоя на поверхности Луны, он сможет подняться более чем на 20 метров. Если однажды утром вы вдруг проснетесь на неизвестном небесном теле, то подбросьте камень вверх со скоростью 30 км/час и измерьте расстояние до верхней точки. Измерение можно использовать при определении силы гравитации, а эти данные, в свою очередь, пригодятся для вычисления массы небесного тела.

Метод, которым пользовался Цвикки для определения массы скопления Кома, не сильно отличается. Понятное дело, в похожем на комариный рой скоплении галактик вряд ли найдется место, откуда удастся измерить высоту при помощи камня, но вместо этого Цвикки измерил радиус скопления галактик. Сравнивая скорости галактик (вместо скорости камня) с радиусом скопления галактик (вместо высоты), он рассчитал массу скопления. Этот расчет основывался исключительно на данных о силе гравитации скопления, независимо от его свечения. Кроме того, Цвикки измерил доходящий до нас от скопления Кома свет и использовал это для определения количества видимой светящейся в нем материи. Затем он сравнивал две вычисленных массы, основанные на гравитации и на светимости звезд. Результат превзошел все ожидания.

Согласно полученным Цвикки данным, количество материи, влияющей на гравитационные силы, в несколько сотен раз превышает количество светящейся массы. Ученый пришел к выводу, что скопление содержит большое количество субстанции, которую он по-немецки назвал dunkle Materie. Из расчетов Цвикки следует, что темная материя составляет более 99 процентов скопления, а обычная видимая материя — меньше одного процента.

Сегодня, более 80 лет спустя, Цвикки по-прежнему прав: в скоплении Кома содержится очень много темной энергии. Однако мнение о ее количестве существенно изменилось: если Цвикки считал, что темная материя составляет более 99 процентов, то сегодня мы, скорее, склоняемся к 90 процентам. В связи с расширением наших знаний о Вселенной, выяснилось, что и видимого вещества там вдвое больше. Таким образом, заключение Цвикки было качественно правильным, но количественно далеким от истины. В чем же ошибся Цвикки?

Никакой грубой ошибки ни в вычислениях, ни в методе ученый не допустил. Но для преобразования полученных величин в физическую массу Кома необходимо знать расстояние от нас до скопления. Проблема заключается в том, что в 1930-х годах расстояние до скопления Кома считалось относительно небольшим. Вот представьте, что вы в горах и видите свет от костра в километре от вас. Из-за расстояния свечение будет неярким, хотя костер, возможно, порядочный. Но если вы ошибочно решите, будто костер всего в ста метрах, то он покажется вам маленьким из-за блеклого света. Примерно то же самое произошло и с Цвикки. Он думал, что смотрит на относительно близкие галактики, и поэтому предположил, что свет тусклый, а значит, излучающего свет вещества в галактиках мало. На самом же деле, причиной тусклого света было намного большее расстояние, нежели думал Цвикки.

Чему нас учит история Цвикки

Хоть Цвикки и знатно промахнулся с количеством темной материи в скоплении галактик Кома, проделанной им работой трудно не восхититься. Ведь ошибка заключалась в расчетах, а не в самом открытии. Он первым начал использовать новые астрономические методы, что и помогло прийти к этому заключению. К тому же такой невероятный результат не заставил его сомневаться в верности своих расчетов. Большинство людей на его месте подумали бы: «Вот черт, должно быть, где-то я ошибся», а потом начали бы подгонять методы и гипотезы под то, что изначально ожидали найти.

Выводы Цвикки впечатляют еще больше, если брать в расчет годы их публикации. В начале 1930-х, когда он начал изучать движение галактик, мы только-только приблизились к пониманию того, что вообще они из себя представляют. Всего десятью годами ранее астрономы спорили о том, всё ли из видимого на небе — часть Млечного Пути или же спиралевидные туманности, которые можно разглядеть при помощи телескопов, — крупные самостоятельные галактики далеко за пределами нашей.

Казалось бы, об обнаружении огромного количества темной материи должны на каждом шагу трубить все таблоиды. Но заголовок статьи Цвикки вовсе не вопил: «СЕНСАЦИЯ! БЕЗУМНЫЕ КОЛИЧЕСТВА МИСТИЧЕСКОГО НЕВИДИМОГО ВЕЩЕСТВА В СКОПЛЕНИИ КОМА». Вместо этого статья называлась так: «Красное смещение внегалактических туманностей». Результаты были описаны крайне сдержанно, и причин тому достаточно. Во-первых, в то время пиар в средствах массовой информации и распространение сомнительных результатов не влияли на финансирование дальнейших исследований. Во-вторых, Цвикки и сам осознавал неточность результатов и старательно работал над отсеиванием некоторых спорных моментов. Ко всему прочему, он размышлял о природе темной материи. Ученый ни слова не сказал о том, что это, должно быть, новый таинственный невидимый вид частиц. Цвикки просто различал светящуюся и темную материю. И не факт, что понятие темной материи в его интерпретации совпадает с сегодняшними представлениями. Тем не менее сейчас мы совершенно уверены, что Цвикки обнаружил именно темную материю в ее современном понимании.

Раз уж мы начали этот разговор, из истории Цвикки и скопления Кома можно выжать еще кое-что поучительное. Например, что серьезные научные выводы следует публиковать с предельной осторожностью, в особенности когда дело касается астрономии. В абсолютно любом исследовании выводы будут опираться на предположения. В случае Цвикки ученый предполагал, будто знает правильное расстояние до скопления галактик. Но это предположение было не единственным. Например, еще он предположил — сознательно или неосознанно, — что закон гравитации на больших расстояниях в скоплениях галактик действует точно так же, как в Солнечной системе, и что его методы измерения скорости верны.

Когда во время детального исследования ученые приходят к невероятным заключениям, например констатируют наличие огромного количества невидимого вещества во Вселенной, на это бывает несколько причин. Неверным может быть само предположение. А еще не исключено, что ошибка закралась в наблюдения. Или даже в вычисления? И тем не менее никогда не стоит отвергать последнюю и самую захватывающую возможность: невероятное заключение верно. Однако чтобы это заключение подтвердилось, необходимо досконально изучить все остальные варианты.

Цвикки — далеко не первый астроном, столкнувшийся с трудностями при измерении космических расстояний. Проблема измерения расстояний в космосе досаждает астрономам уже тысячи лет. По сей день многие из наших умозаключений о космосе основываются на четком контроле измерения расстояний. Так каким же образом следует измерять космические расстояния?

 

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинной список премии «Просветитель.Перевод»:

Алейда Ассман. Европейская мечта. Переизобретение нации / пер. с нем.: Борис Хлебников; редактор Сергей Кокурин. — М.: Новое литературное обозрение, 2022.

Карл Бергстром, Джевин Уэст. Полный бред! Скептицизм в мире больших данных / пер. с англ.: Елизавета Пономарева; научный редактор Надежда Чеботкова, литературный редактор Ольга Дергачева, ответственный редактор Юлия Константинова. — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2022.

Нолан Гассер. Почему вам это нравится? Наука и культура музыкального вкуса / пер. с англ.: Алексей Михеев, Кира Михеева; редактор Алена Щекотихина, ответственный редактор Дарья Рыбина. — М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2022.

Ральф Дарендорф. Соблазны несвободы. Интеллектуалы во времена испытаний / пер. с нем.: Марк Гринберг; редактор Сергей Кокурин. — М.: Новое литературное обозрение, 2021.

Майкл Ко. Разгадка кода майя: как ученые расшифровали письменность древней цивилизации / пер. с англ и науч. ред.: Дмитрий Беляев; литературный редактор Галина Беляева, ответственный редактор Ирина Борисова. — М.: Бомбора, 2021.

Сьюзан Линди. Разум в тумане войны. Наука и технологии на полях сражений / пер. с англ.: Наталья Колпакова; научный редактор Александр Гольц, редактор Вячеслав Ионов. — М.: Альпина нон-фикшн, 2022.

Дуглас Смит. Российская миссия. Забытая история о том, как Америка спасла Советский Союз от гибели / пер. с англ.: Евгения Фоменко; редактор Мария Нестеренко. — М.: CORPUS, 2021.

Крис Стрингер. Остались одни. Единственный вид людей на земле / пер. с англ.: Елена Наймарк; редакторы: Александр Туров, Екатерина Владимирская. — М.: CORPUS, 2021.

Карл Циммер. Живое и неживое. В поисках определения жизни / пер. с англ.: Мария Елифёрова; научный редактор Елена Наймарк, редактор Анастасия Ростоцкая. — М.: Альпина нон-фикшн, 2022.

Редакция

Электронная почта: [email protected]
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2022.