Игры с моделями
Говоря о модели, мы имеем в виду не некий материальный макет. Конечно, в науке иногда строятся и такие модели. Самым известным примером может служить работа Крика и Уотсона по определению структуры ДНК. Они начали с того, что построили часть молекулы ДНК из палочек и шариков. Однако, когда ученые говорят о моделировании, они обычно имеют в виду создание математических моделей. Это набор правил и чисел, которые в результате расчетов должны дать такой же результат, который наблюдается в реальном мире. Если модель и действительность совпадают, то вы, возможно, нашли объяснение реально происходящим во Вселенной событиям. Если же модель предсказывает одно, а на деле мы наблюдаем другое, значит, пора создавать новую теорию.
Так, например, мы обнаружили, что галактики ведут себя «неправильно». Единственной силой, удерживающей их вместе, является гравитация. Естественно, должна существовать и противоположно направленная сила, пытающаяся отдалить их друг от друга. Как и почти все объекты в космосе, галактики вращаются. Если вы взглянете на галактику Андромеда невооруженным глазом, то увидите лишь маленькое размытое световое пятнышко. Возможности человеческого тела поразительны, но порой приходится призывать на помощь технику. Современные телескопы позволяют увидеть достаточно деталей, чтобы сделать вывод о том, что любая галактика действительно вращается вокруг своего центра. В результате этого вращения звезды стремятся разбежаться в разные стороны по прямой линии, и удерживает их от этого лишь сила тяготения, направленная к центру галактики.
Вот тут-то и начинаются неувязки. Наблюдения показывают, что наша модель не соответствует действительности. Если подсчитать массу всего вещества в обычной галактике, то получается, что при такой скорости вращения ее недостаточно, чтобы удержать все звезды вместе. По теории они должны были бы разлететься в разные стороны. Значит, помимо известной нам гравитации, существует еще какая-то сила.
Разумеется, мы можем увидеть далеко не всю материю в галактике. Нам видны звезды и светящиеся пылевые облака, однако вне нашего поля зрения остаются планеты, черные дыры и скопления остывшей темной пыли. Но даже если мы сделаем поправку на них, все равно массы оказывается недостаточно. Самая популярная модель, объясняющая этот феномен, предполагает наличие так называемой темной материи. Мы не знаем, что это такое (хотя некоторые догадки на этот счет имеются), но в общих чертах речь идет о дополнительной массе, которая создает недостающее тяготение. Темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением (а следовательно, и со светом), поэтому не может быть обнаружена обычными методами.
Правда, это не единственная модель. Существует также теория, согласно которой в масштабах галактики гравитация проявляется несколько иначе. В конце концов, мы же знаем, что Вселенная ведет себя совершенно по-разному на квантовом уровне и в обычном мире. Так почему бы не предположить, что в галактических масштабах действуют особые правила? Эта теория называется модернизированной ньютоновской динамикой. Оказывается, достаточно внести лишь очень небольшие поправки в гравитационный эффект, чтобы объяснить повышенную скорость вращения галактик.
Вселенная, вышедшая из-под контроля
Еще одним примером необъяснимого несовпадения модели и реальности является темная энергия. Эта концепция призвана объяснить большие странности, которые происходят в ходе расширения Вселенной. Следовало бы ожидать, что расширение Вселенной будет понемногу замедляться. И дело тут не в трении, которое замедляет движение всех предметов в привычном нам мире, а в гравитации. На все объекты во Вселенной действует сила тяготения, которая стремится притянуть их друг к другу. Эта сила и должна замедлять процесс расширения.
Тем более удивительным оказался для ученых тот факт, что расширение ускоряется! Вселенная не просто становится больше; процесс ее роста происходит все быстрее и быстрее. Если это действительно так (хотя, возможно, все дело просто в очередной ошибке измерений), то имеется какая-то сила, которая ускоряет расширение. Она должна обладать колоссальной энергией. Именно эту энергию и назвали темной.
Эти два темных компонента составляют подавляющую часть Вселенной. С учетом того, что материя и энергия являются разными формами одной и той же сущности, можно утверждать, что примерно 70 процентов Вселенной должна составлять темная энергия, ускоряющая ее расширение, около 25 процентов приходятся на темную материю, и остается всего 5 процентов на обычную материю (из которой состоит тело человека) и привычный нам свет. Таким образом, 95 процентов Вселенной нам совершенно не известны!
Диаграмма, демонстрирующая, насколько незначительна доля обычной материи
Такое положение вещей может повергнуть в уныние. Но мы все же не настолько невежественны. В конце концов, мы уже знаем о природе материи и света намного больше, чем всего 100 лет назад. И все же нам предстоит узнать еще очень многое. Когда Макс Планк, который впоследствии стал одним из основателей квантовой теории, учился в университете в конце XIX века, перед ним стоял выбор – стать ученым или музыкантом. Профессор физики посоветовал ему посвятить себя музыке, так как в науке уже не оставалось почти ничего непознанного. Как же он был неправ!
Продолжая тему о вещах, которые нам пока еще не вполне понятны, необходимо упомянуть, что если галактика Андромеда является самым удаленным от нас объектом, который можно видеть невооруженным глазом, то самые далекие светила, которые можно обнаружить с помощью телескопа, – это квазары. Когда их впервые открыли, то поначалу возникло предположение, что квазары (квазизвездные объекты) представляют собой просто далекие звезды, но спектр приходящего от них света был очень необычным – слишком красным.
Как уже было сказано, если объекты в космосе движутся в нашем направлении, энергия их света возрастает и происходит голубое смещение. Если же они движутся от нас, то энергия снижается, что выражается в красном смещении. В связи с расширением Вселенной, чем дальше от нас находится объект, тем сильнее будет заметно красное смещение. Первый квазар, изученный в 1960‑е годы, оказался самым далеким от нас (на тот момент) светилом. Однако его яркость была сопоставима со звездой из нашей галактики.
Проведя дополнительные исследования с помощью более совершенных инструментов, мы обнаружили, что квазары излучают столько же света, сколько целая галактика, и при этом их размеры не превышают размеров Солнечной системы. Для многих квазаров характерны выбросы горячего вещества и излучения в виде струй полярной направленности. Похоже, что квазары представляют собой зарождающиеся галактики. У большинства галактик в центре имеются сверхмассивные черные дыры. В зрелых галактиках типа нашего Млечного Пути черные дыры уже поглотили почти все близлежащее вещество, но в молодых они все еще собирают находящуюся поблизости материю.
Считается, что именно эта материя, разгоняющаяся почти до световых скоростей за счет притяжения черной дыры, придает квазарам такую яркость. Что касается струйных выбросов, то существует вероятность, что вокруг черных дыр имеется сфера из обломков космических тел, вращающихся с такой скоростью, что это не дает им упасть в черную дыру. На полюсах же остается незакрытое пространство, через которое материя выбрасывается в космос. Такое объяснение во многом является спекулятивным, так как нет никаких надежных свидетельств, которые могли бы его подтвердить.
Если о квазарах широкая публика мало что слышала, то черные дыры в особом представлении не нуждаются. Термин «черная дыра» вошел в наш язык как воплощение чего-то бездонного и прожорливого, от чего невозможно спастись. Черные дыры стали неотъемлемой частью мифологии космоса, символизируя темную и злобную силу.
Но принимать на веру все, что вы слышите о черных дырах, не стоит. Во-первых, их, может быть, и нет. Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что они могут существовать, и у нас есть достаточно надежные косвенные свидетельства того, что так оно и есть, но в принципе их может и не быть, а все полученные доказательства могут оказаться следствием какого-то другого феномена.
Черные дыры считают чем-то вроде универсального пылесоса, который всасывает все, что только попадает в зону его досягаемости. Определенная доля истины в этом образе есть. Все звезды очищают пространство вокруг себя за счет мощного гравитационного поля. Однако черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды, которая не смогла совладать с собственным полем тяготения, обладает такой же гравитацией, как и породившая ее звезда. (Кстати, не стоит переживать по поводу того, что Солнце тоже может стать черной дырой. Оно для этого недостаточно массивно.)
