В конце XIX века казалось, что в целом всё уже понятно и с устройством природы, и с её законами. Оставалось разобраться с мелкими деталями и досадными проблемами типа зачем-то открытого электрона и мелких расхождений реальной и расчётной орбиты Меркурия. Никто и не предполагал, что грядёт научная революция и появятся теория относительности, квантовая механика и атомная физика. В начале XXI века история, кажется, повторяется.
За последние 10 лет в науке накопилось уже достаточное количество загадок, решение которых может привести к очередной научной революции. Обнаруженные астрономией, физикой и науками о Земле явления, а также некоторые так и не найденные (типа монополя) настолько не вписываются в современные представления о природе, что, в случае если им не будет найдено какого-либо приемлемого объяснения в рамках существующих теорий, потребуют изменения этих теорий.
«Часкор» решил для начала выбрать семь феноменов, поиск объяснения которых может стать судьбоносным для наук о Вселенной — астрофизики и космологии.
1. Ось зла
В середине прошлого века космологи (одному из первых эта идея пришла в голову Георгию Гамову) предположили, что после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, должно сохраниться слабое остаточное излучение. Именно его в 1965 году обнаружили американские учёные Пензиас и Уилсон (а в 1978 году получили за это Нобелевскую премию по физике). И в общем с этим реликтовым излучением не было никаких особых проблем, пока точность приборов не достигла некоторого порога, за которым в 2005 году английские астрофизики обнаружили удивительный феномен. Картина распределения реликтового излучения, вместо ожидаемого случайного распределения чуть более и чуть менее «горячих» областей, разбросанных в произвольном порядке по Вселенной, оказалась упорядоченной в определённом направлении. Эта картина получила звонкое прозвище «оси зла», хотя, конечно, если и причинило чему-то неприятность, то только фундаментальному принципу изотропии пространства, или, проще говоря, представлению о том, что Вселенная, в сущности, одинаковая, в каком бы направлении на неё ни смотреть. Если же космическое излучение имеет какую-то ориентацию, то вместе с этим принципом придётся избавиться и от имеющихся у современной космологии представлений об истории Вселенной.
Возможно, всё не так уж страшно. Не исключено, что в однородность излучения вносит помехи какое-то не очень далёкое от нас скопление галактик. В конце концов, наблюдать Вселенную мы можем пока исключительно из окрестностей Солнечной системы, то есть изнутри нашей родной Галактики. Возможно, ясность в картину фонового излучения внесут данные, которые астрофизики получат к концу 2012 года от приборов спутника Planck, запущенного NASA.
2. Галактические пузыри
Даже в нашей Галактике есть ещё много интересного и непонятного. Последние данные с другого спутника NASA — Fermi — основательно озадачили астрономов. Рентгеновский телескоп обнаружил два гигантских (нет, не так, — ГИГАНТСКИХ) сферических образования, примыкающих к центру нашей Галактики. Их диаметр составляет около 25 тыс. световых лет, то есть два их диаметра примерно равны половине или трети диаметра Млечного Пути. Оба этих «пузыря» активно излучают в диапазоне жёсткого гамма-излучения. Если бы мы могли видеть в этом диапазоне, то «пузыри» заняли бы половину небосвода. Энергия излучения каждого из «пузырей» примерно равна взрыву сразу 100 тыс. сверхновых.
Откуда взялись эти «пузыри», астрофизики сказать не могут, осторожно предполагая пока, что они образовались в результате сверхмощных выбросов из располагающейся в центре Галактики огромной чёрной дыры. Правда, ничего подобного видеть астрономам раньше не приходилось. И представить, что за катаклизм мог оставить после себя такие яркие последствия, они пока толком не могут.
3. Тёмный поток
Если в собственной Галактике мы смогли обнаружить какие-то странные пузыри, то чего ждать от тех мест Вселенной, которые мы ещё не видим и в ближайшие несколько миллиардов лет и не увидим — просто потому, что они расположены слишком далеко от нас. Если полагаться на всё тот же принцип изотропии, то ничего слишком удивительного ждать вроде бы не приходится. Но придётся.
В 2008 году группа исследователей под руководством Александра Кашлинского, работающего в исследовательском центре NASA им. Годдарда, обнаружила, что несколько скоплений галактик движутся с необычно большой (порядка 1000 км/с) скоростью по направлению к небольшому участку звёздного неба между созвездиями Центавра и Паруса. Этот галактический поток Кашлинский назвал «тёмным», в честь загадочных тёмных материи и тёмной энергии.
Необычно в этом движении то, что ничего, что могло бы притягивать эти гигантские скопления звёзд, в указанном районе космоса нет. Или не видно. Возможно, что то, что их притягивает, расположено за горизонтом видимой Вселенной. Но что? Очевидно, что-то очень большое. Проблема только в том, что это «что-то очень большое» должно быть ОЧЕНЬ БОЛЬШИМ. Настолько большим, что должно превышать по своим размерам всё, что современная астрономия смогла разглядеть в космосе до сих пор.
Но даже если ещё неизвестно, что это такое, проблема уже есть у космологии. Если такой космический Левиафан где-то там существует, то такие Левиафаны должны попадаться и где-то ещё. Но что-то их не видно.
Возникли даже подозрения, что, может быть, это неимоверное нечто вообще не из нашей Вселенной. Может быть, это подтверждение одной из альтернативных космологических теорий, согласно которым наша Вселенная вовсе не одинока, но рядом (хоть и не очень понятно, в каком смысле — рядом) с ней есть и другие, и какая-то соседка и притягивает к себе тысячи метагалактик?
4. Непостоянная постоянная
Видимо, мы действительно что-то не так знаем о природе. Косвенным подтверждением того, что Вселенная упорядочена неравномерно, являются последние данные, полученные австралийскими астрофизиками, которым пришло в голову сравнить данные спектрального анализа, получаемые телескопами, которые наблюдают разные области космоса. Если их вычисления корректны (а за 10 лет, прошедших с первой публикации, никто не смог опровергнуть их выводов), то одна из фундаментальных физических констант — постоянная тонкой структуры, отвечающая за один из трёх основных видов взаимодействия материи (электрослабое), — вовсе не постоянна и отношение электрического заряда к скорости света меняется в зависимости от места во Вселенной. Причём карта расположения «оси» изменений постоянной указывает примерно туда же, куда движутся и метагалактики в «тёмном потоке» Кашлинского.
Астрофизики уже требуют уточнить расчёты австралийцев, а физики негодуют, поскольку согласиться с изменчивостью констант — всё равно что заставить придумать современную физику заново. А заодно и признать, что человечество появилось и вправду в каком-то странном месте Вселенной (или в какой-то странной Вселенной), где для этого были самые подходящие условия.
5. Несимметричная гравитации
За аномалиями констант, однако, тоже не обязательно путешествовать на край света (впрочем, и со светом не всё ясно, но об этом чуть ниже). Несколько лет назад сотрудники всё того же американского NASA обратили внимание на то, что их космические аппараты летают по Солнечной системе не совсем так, как запланировано.
Инженеры, которые планируют запуски аппаратов к дальним планетам, уже давно сообразили, что помочь работе их двигателей можно, если воспользоваться притяжением ближних планет или Солнца: пролёт мимо них по правильной траектории может придать аппаратам дополнительное ускорение и существенно сократить сроки космических экспедиций и сэкономить топливо.
Точная сверка расчётной и реальной траекторий, однако, показала, что аппараты могут получать незапланированное ускорение. В декабре 1990 года аппарат Galileo, прежде чем отправиться к Юпитеру, использовал для разгона саму Землю. И в результате получил дополнительное ускорение, не предусмотренное графиком, которое составило 3,9 мм/с. Другой аппарат, отправленный в 1998 году к комете Шумейкеров, получил ускорение даже большее — 13,5 мм/с.
Отклонения эти невелики и, что удачно, не сказались на результатах экспедиций, но объяснить их исследователи пока не могут, во всяком случае с точки зрения обычной физики. Альтернативных объяснений, впрочем, хватает — от возможной несимметричности гравитационного поля и влияния тёмной материи до необходимости внесения поправок в теорию относительности или даже изменения точки зрения на постоянство скорости света.
6. Медленный свет
В 2005 году астрономы, работавшие с рентгеновским телескопом MAGIC в обсерватории на Канарских островах и наблюдавшие вспышку рентгеновского излучения, пришедшего из центра галактики Markarian 501, расположенной в 500 млн световых лет от нас, обратили внимание на непонятную аномалию. Гамма-кванты с высокой энергией фиксировались телескопом на 4 минуты позже, чем кванты с меньшей энергией. При этом возникали-то эти фотоны одновременно.
Если следовать специальной теории относительности, то этого не может быть. Потому что электромагнитное излучение должно распространяться в вакууме с одной и той же скоростью — скоростью света. Независимо от энергии этого излучения. Если же верить результатам наблюдений, то скорость света вовсе не является константой и зависит от энергии фотонов света.
Наблюдения с Земли подтвердили и данные с рентгеновского телескопа Fermi, который зафиксировал 20-минутное отставание жёстких гамма-лучей, которые были испущены одновременно с фотонами меньшей энергии в результате какого-то космического катаклизма, произошедшего на расстоянии 12 млрд световых лет.
Больше всего обрадовались этим результатам разработчики теории квантовой гравитации, которая, в отличие от общей теории относительности Эйнштейна, как раз и предусматривает подобные сдвиги. Впрочем, может быть, опять не обошлось без тёмной энергии. Или без голографии.
7. Гравитационный шум
Одно из следствий общей теории относительности (она же и современная теория гравитации) — наличие гравитационных волн, которые должны искривлять пространственно-временной континуум, например, в результате столкновения каких-нибудь крупных (о’кей, ОЧЕНЬ КРУПНЫХ) космических объектов, например массивных чёрных дыр.
Пока, впрочем, этих волн никто не регистрировал. Может быть, просто не удалось: в конце концов, детекторы этих волн должны быть просто очень большими. Один из таких детекторов — GEO600 — построен несколько лет назад для совместных экспериментов учёных из Великобритании и Германии вблизи Ганновера. Этот детектор тоже пока не обнаружил гравитационных волн. Но, не исключено, случайно получил доказательство другой теории гравитации.
В 2008 году физик Крейг Хоган из Национальной лаборатории им. Ферми (США) сформулировал концепцию, согласно которой наша физическая реальность является результатом проекции границ Вселенной. Он назвал это голографическим принципом. Информация, которая сосредоточена на границах Вселенной, не распределена по ней непрерывно, но состоит из «битов», размеры которых соответствуют так называемым квантам пространства. Хоган не остановился на теоретических разработках, но попытался предсказать, как его теория может быть подтверждена экспериментом: детекторы гравитационных волн должны фиксировать «шум» пространства-времени. И он послал эти расчёты группе, работающей на GEO600.
По случайному (или не очень) совпадению команда учёных в Ганновере как раз пыталась разобраться с шумом, который постоянно фиксировал детектор. На удивление, параметры этого шума совпали с предсказанными Хоганом. Проверить, действительно ли шум в детекторе вызывается самим пространством-временем, или его причина какая-нибудь более прозаическая, можно будет только после завершения работ по доводке оборудования, которые должны завершиться в 2011 году. А пока шум никуда не делся и внятного объяснения — помимо голографического принципа — ему у учёных нет.
P. S. Если вы обратили внимание, загадки больших масштабов часто связаны с явлениями масштабов мельчайших — уровня элементарных частиц. О том, с чем пытается разобраться современная физика элементарных частиц, — в следующей статье.
ОТПРАВИТЬ:
| Читать @chaskor |
Статьи по теме:
- Примемся за небесные недра .
Основатели X-Prize и Google откроют добычу ресурсов на астероидах. - И на Титане будут яблони цвести?
Астрономы представили рейтинги обитаемости планет и лун. - Dome под звёздным небом.
12 июня в Москве после 17 лет забвения откроется главный планетарий страны. - Стоя у порога.
2010-й: главные события в науке. - Столкновение миров.
Наша Вселенная, возможно, не одинока. - Британские ученые установили….
Во второй части трилогии Хокинга тайное становится явным, а Вселенная предстаёт перед космическими путешественниками во всей красе. - Хокинг, должно быть, нашёл ошибку.
Фрагмент из книги Алекса Виленкина «Мир многих миров». - Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов: «Нас подводили астрономы».
