Уильям Байнум - Краткая история науки [litres]

За исключением гравитации все силы действуют благодаря обмену особыми частицами, именуемыми бозонами. В их число входят протон и квант света Эйнштейна, который является бозоном электромагнетизма.

Но самым знаменитым бозоном является тот, которого до сих пор не удалось обнаружить: бозон Хиггса. Специалисты по физике частиц пытаются «поймать» его более полувека. Предположительно он создает массу в других частицах, и подтверждение его существования позволило бы объяснить, как частицы получили массу сразу после Большого взрыва.

Ученые полагали, что им удастся бросить взгляд на эту загадку в крупнейшем ускорителе элементарных частиц. Большом адронном коллайдере (БАК), построенном около Женевы (Швейцария). БАК был возведен между 1998-м и 2008-м Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), основанной еще в 1954 году. Это кооперация, объединение сил нескольких европейских стран, созданное для того, чтобы снизить затраты на дорогие исследования, требующие большого количества ученых, техников и компьютерщиков.

Бозон Хиггса был бы невероятно полезной (но не последней из нераскрытых) частью загадки, известной как Стандартная модель, которая отвечает за все, кроме гравитации. А завершенная Стандартная модель приблизила бы нас к Теории всего, возможно, через теорию струн, особый подход к анализу разнообразных сил и частиц. Базируется теория струн на предположении, что фундаментальные силы природы можно рассматривать так, как будто они представляют собой одномерные вибрирующие струны. В этой гипотезе используется большое количество математики, и она все еще в процессе становления.

Большую часть физики, относящейся к процессам, идущим на микроуровне, трудно соотнести с обычным миром, в котором мы живем. Но ученые находят все больше способов применить находки этой науки в области ядерной энергии, телекоммуникаций, компьютерной и медицинской техники нового поколения. Эти вещи важны для нашей повседневной жизни, а за их пределами лежит много такого, что нужно изучить, чтобы понять, каким образом идея Большого взрыва может соответствовать тому, что мы видим или не видим в пространстве.

В 1920-х русский физик Александр Фридман (1888–1925) был одним из тех, кто быстро принял общую теорию относительности Эйнштейна и встроил ее в собственные математические модели. Уравнение Фридмана обеспечило математическое объяснение для модели расширяющейся Вселенной. Фридман также интересовался тем, имеет ли значение то, что мы наблюдаем за звездами с Земли: понятно, что для нас это особенное место, но дает ли оно нам уникальные возможности для изучения космоса?

Ответом стало «нет», ничего уникального, это просто место, где нам случилось быть. Вещи не стали бы выглядеть иначе, если бы мы находились на другой планете, расположенной во многих световых годах от Солнца.

Этот принцип назвали космологической постоянной Фридмана, и из нее следует вывод, что материя одинаковым образом распространена во Вселенной. Само собой, есть локальные вариации. Земля намного плотнее, чем атмосфера вокруг нее, но если взять в большом масштабе, этот принцип работает. Сегодня космологи во многом базируются в своей работе на модели Фридмана, а иметь дело им приходится с такими мистическими объектами, как черные дыры и темная материя.

Двое членов Лондонского королевского общества обсуждали идею «темной звезды» еще в восемнадцатом веке. Ее современный эквивалент, черную дыру, смог описать гений математики Роджер Пенроуз (род. 1931), работавший в связке с блестящим физиком-теоретиком. Стивеном Хокингом (1942–2018). До ухода на пенсию Хокинг занимал ту же должность, что некогда Ньютон, он числился лукасовским профессором математики в Кембридже.

Вместе они описали черные дыры так, что их легко представить, хотя взгляду подобные объекты недоступны. Все по той причине, что они возникают в тех областях космоса, где постепенно сжимаются угасающие звезды. По мере того как их материя становится все более плотной, силы гравитации обретают такую мощь, что фотоны света оказываются пойманы в ловушку.

Существуют также супермассивные черные дыры.

В 2008 году после шестнадцати лет «охоты» с помощью телескопов в Чили было подтверждено существование подобного объекта – Стрелец А – в пределах Млечного пути. Астрономы, ведомые немцем Райнхардом Генцелем (род. 1952), наблюдали группы звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре галактики. Они использовали инструменты, работающие в инфракрасном диапазоне, поскольку между нами и черной дырой, расположенной в 27 тысячах световых лет от нас, имеется большое количество космической пыли.

Подобные супермассивные черные дыры могут играть роль в формировании галактик, вовлекать в него другую часть мироздания, которую мы тоже не можем наблюдать: темную материю. Предполагается, что на нее приходится куда больше Вселенной (23 процента), чем на видимые нашему глазу звезды, планеты, газ и пыль (4 процента).

Впервые концепция темной материи рассматривалась в 30-х годах, ее ввели, чтобы объяснить свойства некоторых участков пространства, где не все шло так, как было предсказано. Ученые поняли, что существует несоответствие между массой видимых частей Вселенной и силой гравитационного воздействия: чего-то недоставало.

В 70-х астроном Вера Рубин (род. 1928) изучала траектории движения звезд в окраинных областях галактик и увидела, что они перемещаются быстрее, чем должны. Традиционные гипотезы говорили, что чем дальше звезды от центра галактики, тем медленнее они должны вращаться вокруг этого центра. Темная материя могла обеспечить дополнительную силу гравитации, необходимую для ускорения.

Подобное непрямое доказательство существования темной материи было в общем принято. Но что такое темная материя на самом деле – тайна, разгадать ее ученым предстоит в будущем.

Современная космология появилась из теорий Эйнштейна, из тысяч и тысяч наблюдений, пропущенных через воронку компьютерного анализа, и из гамовской идеи Большого взрыва. Подобно многим другим хорошим научным гипотезам эта тоже претерпела значительные изменения со времени создания.

На самом деле, два десятилетия после того, как Большой взрыв был представлен в 1948 году, физики едва ли обращали внимание на проблему происхождения Вселенной. Теории Гамова пришлось иметь дело с другой схемой мироздания, именуемой «стационарной моделью», ее ассоциируют с именем астронома Фреда Хойла (1915–2001). Она пользовалась большой популярностью в пятидесятые годы.

Здесь у нас существует бесконечная Вселенная, в которой происходит постоянное создание новой материи, и у этой Вселенной нет ни начала, ни конца. Но увы, оказалось столько сложностей с приложением этой гипотезы к реалиям пространства, что ее научная жизнь выдалась короткой.