Време за четене: 9 минути
Тъмна материя, природата на времето, извънземни и свръхмасивни черни дупки: тези седем неща ще озадачават астрономите години наред.
През последното десетилетие направихме снимки на черни дупки, надникнахме в сърцето на атомите и погледнахме назад към раждането на Вселената. И все пак има зеещи пропуски в нашето разбиране за Вселената и законите, които я управляват. Това са мистериите, които ще тревожат физиците и астрономите през следващото десетилетие и след това.
Защо има нещо, а не нищо?
В началото, според стандартната картина на космологията, беше „инфлационният вакуум“. Той имаше свръхвисока енергийна плътност и отблъскваща гравитация, което го караше да се разширява. Колкото повече имаше, толкова по-голямо беше отблъскването и толкова по-бързо се разширяваше.
Подобно на всички „квантови“ неща, този вакуум беше непредсказуем. На произволни места тя се разлагаше в обикновен ежедневен вакуум. Огромната енергия на инфлационния вакуум трябваше да отиде някъде.
И се стигна до създаването на материя и нагряването й до невероятно висока температура – до създаването на големи взривове. Нашата Вселена е просто един такъв балон от Големия взрив в непрекъснато разширяващия се инфлационен вакуум.
Забележително е, че целият този процес би могъл да започне с парче инфлационен вакуум с маса, еквивалентна на торба захар. И, удобно, законите на физиката – по-специално квантовата физика – позволяват на такава материя да се появи от нищото. Разбира се, следващият очевиден въпрос сега е: откъде идват законите на физиката?
През 1918 г. немският математик Еми Ньотер хвърли светлина върху това. Тя откри, че великите закони за опазване са просто следствие от дълбока симетрия на пространството и времето – неща, които остават същите, ако нашата гледна точка се промени.
Удивително свойство на такива симетрии е, че те също са симетрии на празнотата – на една напълно празна Вселена. Така че може би преходът от нищо към нещо не беше толкова голяма работа. Може би това беше просто промяна от нищо към „структурираното“ нищо на нашата изпълнена с галактики Вселена.
Но защо се случи промяната? Американският физик Виктор Стенгер посочи факта, че при понижаване на температурата водата се превръща в структурирана вода или лед, тъй като ледът е по-стабилен. Възможно ли е, спекулира той, Вселената да е преминала от нищо към „структурирано нищо“, защото структурираното нищо е по-стабилно?
Защо в сърцето на всяка галактика има чудовищна черна дупка?
В нашата Вселена има около два трилиона галактики и, доколкото ни е известно, почти всяка съдържа централна супермасивна черна дупка. Те варират по размер от чудовища, тежащи почти 50 милиарда пъти по-големи от масата на Слънцето, до тидлъра с 4,3 милиона слънчева маса, известен като Стрелец A* в ядрото на нашия Млечен път (една слънчева маса = маса на нашето Слънце) . Но как са попаднали там е една от големите неразгадани мистерии на космологията.
Знаем, че звездна черна дупка се образува при експлозия на свръхнова, при която ядрото на звезда имплодира. Но никой не знае как се образува свръхмасивна черна дупка.
През по-голямата част от космическата история центровете на галактиките са били местата, където много материя е затворена в малък обем. Може да се окаже, че свръхмасивните черни дупки се образуват в плътен звезден куп от звездни черни дупки, които многократно се сливат една с друга.
Условно доказателство за това идва от сливане между две черни дупки, разкрито чрез откриване на гравитационни вълни. Една дупка беше твърде голяма, за да бъде реликва от свръхнова и така може да е възникнала при по-ранно сливане.
Алтернативен начин за образуване на свръхмасивна черна дупка е чрез директно свиване на плътен облак от газ. Възможно е те да се образуват от комбинация от колапс на облак и сливане на черни дупки.
Възможно е също така свръхмасивни черни дупки да са се образували при Големия взрив. Това би предоставило нов отговор на космическия въпрос за кокошката и яйцето: кое е първо – галактиките или свръхмасивните черни дупки? Вместо първо да се формират галактики и след това да раждат такива чудовища, първо ще се образуват свръхмасивни черни дупки и ще осигурят семената, около които са се образували галактиките от звезди.
Въпреки масите си, дори най-големите свръхмасивни черни дупки едва ли са по-големи от Слънчевата система. И все пак те проектират силата си в милиони светлинни години посредством противоположно насочени свръхбързи струи материя. Където такива струи са бързи – във вътрешните региони на галактиката – те изтласкват газ и потушават образуването на звезди; където са се забавили – във външните области – те компресират газ и предизвикват образуване на звезди.
Всъщност мощните струи от най-големите дупки изглежда контролират масите от звезди, които се образуват, с тенденция към по-малки, по-хладни звезди като нашето Слънце. Така че, кой знае, може да се окаже, че можем да благодарим на Стрелец A* за нашето Слънце, без което вероятно нямаше да четете тази страница.
Какво представлява тъмната материя?
Тъмната материя не излъчва светлина или е твърде малко, за да я открием. Знаем, че съществува, защото виждаме ефекта от гравитацията му върху видимите звезди и галактики. Например, Млечният път не би могъл да ввлече достатъчно материя, за да създаде своите звезди през 13,82 милиарда години след Големия взрив, без да има много невидима материя, чиято допълнителна гравитация ускори нещата.
Сателитът Планк на Европейската космическа агенция установи, че тъмната материя представлява 26,8 процента от масата-енергия на Вселената в сравнение с 4,5 процента от нормалната „атомна” материя. Следователно той превъзхожда видимите звезди и галактики с коефициент около шест.
Дълго време предпочитаните кандидати за частици от тъмна материя са слабо взаимодействащите масивни частици или WIMP. Но въпреки че тези частици отговарят на изискванията, те не успяха да се появят в Големия адронен колайдер близо до Женева в Швейцария. Кандидат, който печели благоволение, е свръхлекият „аксион“, хипотетична субатомна частица. Ранг аутсайдер остават първичните черни дупки, останали от Големия взрив.
Озадачаващо е, че нито един земен експеримент не е открил никакви доказателства за тъмна материя, въпреки десетилетия на търсене. Възможно е не нашата теория за материята да се нуждае от модификация, а нашата теория за гравитацията. Или че тъмната материя не е течност, съставена от една частица, а е сложна като атомната материя, която виждаме около нас. Може би Вселената е пълна с тъмни звезди и тъмни планети и тъмен живот!
Съществува ли времето?
Времето е това, което спира всичко да се случва наведнъж“, каза американският физик Джон Уилър. Но времето е хлъзгаво понятие. Повечето от това, което мислим, че знаем, е невярно.
Например, ние си представяме, че времето тече. Но за да тече нещо, то трябва да тече по отношение на нещо друго, точно както реката тече по отношение на речен бряг. Тече ли времето спрямо нещо друго – втори тип време? Идеята изглежда безсмислена. Най-вероятно потокът от време е илюзия, създадена от нашия мозък, за да организира информацията, която непрекъснато нахлува през сетивата ни.
Също така имаме силно чувство за споделено минало, настояще и бъдеще. Но идеята за общо настояще не се появява никъде в нашето фундаментално описание на реалността: относителността. Как точно се нарязва времето на някой друг зависи от това колко бързо се движи спрямо вас или от силата на гравитацията, която изпитва.
Тези ефекти се забелязват само при относителни скорости, близки до тези на светлината, или при ултра-силна гравитация, поради което не са очевидни в ежедневието. Въпреки това те водят до идеята, че интервалът от време на един човек не е същият като този на друг човек и че интервалът от пространство на един човек не е същият като този на друг.
Всъщност е по-лошо. Пространството и времето са неразривно преплетени. В нашата Вселена всички събития – от Големия взрив до смъртта на Вселената – са изложени в предварително съществуваща четириизмерна пространствено-времева карта. Нищо всъщност не се „движи“ във времето.
Както пише Айнщайн след смъртта на своя приятел Микеле Бесо: „Сега той си тръгна от този странен свят малко преди мен. Това не означава нищо. Хора като нас, които вярват във физиката, знаят, че разликата между минало, настояще и бъдеще е само упорито упорита илюзия.
Ако си представим, че разширяването на Вселената върви назад като филм на заден ход, в най-ранните си моменти пространството и времето са разкъсани. Следователно физиците подозират, че в Големия взрив времето е възникнало от нещо по-фундаментално. Все още никой не знае какво може да е това.
Какво е тъмна енергия?
Той е невидим, изпълва цялото пространство и неговата отблъскваща гравитация ускорява разширяването на Вселената. „Тъмната енергия“ беше открита от астрофизици през 1998 г. Те изучаваха свръхнови от тип 1A – звездни експлозии, за които се смяташе, че освобождават фиксирано количество енергия и горят със стандартна яркост като космическа крушка от 100 W.
Проблемът беше, че най-отдалечените свръхнови бяха по-слаби от очакваното. Космическото разширяване се беше ускорило, отблъсквайки ги още повече.
По това време единствената сила, за която се смяташе, че действа в мащабната Вселена, беше гравитацията, която действа като невидима мрежа между галактиките, спирайки космическото разширяване.
Откритието, че разширяването на космоса ускорява шокираните космолози, които бяха принудени да постулират съществуването на вещество, което представлява удивителните две трети от масата-енергия на Вселената. Тази „тъмна енергия“ победи гравитацията и пое контрола над Вселената преди около пет милиарда години.
Една от възможностите е, че тъмната енергия е космологична константа, присъщо отблъскване на пространството. Такова отблъскване може да възникне от квантови енергийни флуктуации във вакуума.
Въпреки това, когато квантовата теория, нашата най-добра теория за субмикроскопичния свят, се приложи към вакуума, теоретиците прогнозират енергийна плътност, която е 10, последвана от 120 нули, по-голяма от тази на тъмната енергия: най-голямото несъответствие между прогноза и наблюдение в историята на науката.
Вероятно несъответствието ще изчезне, когато най-накрая успеем да комбинираме квантовата теория с теорията на Айнщайн за гравитацията. Междувременно космическите експерименти могат да помогнат. През 2022 г. Европейската космическа агенция ще изстреля Euclid, който ще измерва как тъмната енергия варира с космическото време, като се надяваме, че ще предостави жизненоважен ключ към решаването на най-големия пъзел в науката.
Защо не сме виждали никакви следи от извънземни?
През 1950 г. Енрико Ферми, човекът, който построи първия ядрен реактор, обядва в столовата на бомбената лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико, когато внезапно казва: „Къде са всички?“ Всички около масата знаеха точно какво има предвид.
Десетилетия по-късно въпросът на Ферми беше разгледан независимо от американските физици Майкъл Харт и Франк Типлър. Харт смята, че извънземните се разпространяват из нашия Млечен път, а Типлър смята, че самовъзпроизвеждащи се машини, които при пристигането си в планетарна система, експлоатират ресурсите, за да изградят две свои копия, които продължават да пътуват.
И двамата заключават, че дори при скромни скорости на пътуване, всяка звезда в Галактиката ще бъде посетена за част от възрастта на Млечния път. Както Ферми разбра, извънземните трябва да са тук на Земята. Изглежда, че не са. Това се превърна в „парадокса на Ферми“.
Предложени са стотици обяснения. Те включват идеите, че ние сме първият интелект, който се е появил в Галактиката и затова сме напълно сами и че сме детски свят, забранен за напреднали цивилизации, което може да повлияе неблагоприятно на нашето развитие.
Една по-обикновена възможност е, че няма парадокс, защото всички признаци на посещение в далечното минало биха били изтрити от вятър, дъжд и геоложки процеси. Наскоро обаче екип, ръководен от д-р Джонатан Карол-Нелънбек от университета в Рочестър, Ню Йорк, предположи, че нашето Слънце може просто да е било заобиколено от вълна на извънземна експанзия.
Остава въпросът защо не сме виждали никакви следи от извънземни в нашата Галактика, въпреки търсенето с телескопи повече от половин век. Въпреки това, екип от Пенсилванския държавен университет, ръководен от д-р Джейсън Райт, казва, че няма никаква мистерия: претърсили сме само част от Галактиката, еквивалентна на водата в
гореща вана в сравнение с тази в океаните на Земята.
Както Дъглас Адамс отбеляза толкова проницателно в „Пътеводител на галактиката на стопаджия“: „Космосът е голям. Просто няма да повярвате колко огромна, огромна, умопомрачително голяма е тя.”
Защо природата е утроила своите основни градивни елементи?
Кажете, че Lego пусна версия на своите тухли, в която всяка тухла беше стотици пъти по-голяма от стандартна тухла. И кажете, че след това стартира друга версия, в която тухлите са хиляди пъти по-големи. Ще ви бъде простено да си помислите, че компанията е полудяла. Но точно това е направила природата със своите основни градивни елементи – кварките и лептоните.
Нормалната материя е изградена само от два вида кварк и два вида лептон. Но съществува и второ „поколение“ кварки и лептони, в което всички частици са идентични с първото, освен че са стотици пъти по-тежки, и трето поколение, в което те са идентични, но хиляди пъти по-тежки.
По-тежките поколения отнемат много енергия за създаване, така че рядко се срещат днес. Въпреки това е вероятно те да са изиграли някаква критична роля в Големия взрив. Но защо толкова различни маси на частиците във всяко поколение? Д-р Стивън Уайнбърг, американски физик и Нобелов лауреат, направи интересна спекулация.
Основните градивни елементи на материята придобиват своята маса чрез взаимодействие с полето на Хигс, невидима течност, която изпълва цялото пространство. Можете да си представите, че те взаимодействат с частицата на Хигс, локализиран бум в това енергийно поле.
Вайнберг посочва, че частиците, които взаимодействат най-силно с полето на Хигс, в крайна сметка имат маси, близки до тези на частицата на Хигс, и това са частиците не от първо, а от трето поколение.
Може би, спекулира Уайнбърг, те са единствените частици, които взаимодействат директно с Хигс. Може би второто поколение получава своите маси чрез взаимодействие с неоткрита частица, която взаимодейства директно с Хигс. И може би първото поколение ще получи своето чрез взаимодействие с втора неоткрита частица, която взаимодейства с първата.
Това е като онази игра на детската площадка, в която съобщение се предава по редица деца и това, което се предава, се отдалечава все повече от първоначално казаното. Може би с всяко по-ниско поколение частиците се отдалечават все повече от „усещането“ на полето на Хигс, така че неговият ефект на генериране на маса е все по-слаб.
Вайнбърг не знае как може да работи подобен механизъм в детайли. Но други физици смятат, че той може да е дал намек за това как да се реши пъзелът на утроените градивни елементи на природата.