Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

В сказке «Маленький принц» Лис говорит Принцу: «Самого главного глазами не увидишь» [14]. Но человеческий интерес и влечение к невидимому появляются задолго до напечатанной в 1942 г. повести Антуана де Сент-Экзюпери. На своей ранней стадии современная наука часто приписывала необъяснимым явлениям невидимые причины. Естествоиспытатели считали невидимые факторы причиной болезней, средой для распространения световых волн и топливом для горения веществ. До разработки концепции о микроорганизмах многие полагали, что болезни вызывает попадание внутрь организма миазмов при вдыхании — в буквальном смысле вредного запаха. Одна из теорий в XVII в. указывала, что вещества способны гореть только при наличии в них огнеподобного элемента — флогистона (бытовало мнение, что предметы, которые могли гореть на воздухе, имеют высокое содержание флогистона) и что горение прекращается, когда воздух уже не способен поглощать данное вещество. Роберт Бойль, которого считают первым современным химиком, был одним из первых, кто заподозрил, что воздух представляет собой не единое вещество, а смесь многих компонентов. В своей работе 1674 г. «Подозрения относительно некоторых скрытых свойств в воздухе» (Suspicions about the Hidden Realities of the Air) он говорит, имея в виду воздух: «Едва ли в мире найдется более неоднородное тело». Его изучение и исследование роли воздуха в процессе горения и окисления в итоге привели к опровержению представления о флогистоне {10} .

Идея невидимых эманаций находила сторонников даже в XIX в. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент, который низложил подобные теории, но до тех пор многие верили, что существует вездесущая среда — эфир, благодаря которому становится возможным распространение световых волн и гравитации. В контексте корпускулярной теории света Ньютона эфир считался средой, которая способствует перемещению световых частиц от источника излучения. Это убеждение основывалось на аналогии со звуком: было известно, что звуковые волны распространяются за счет сдавливания среды (воздуха), в ходе которого сжимались и разжимались частицы воздуха, передающие вибрации, и последние, наконец, достигали наших барабанных перепонок. Наличие среды, таким образом, рассматривалось как необходимое условие распространения и световых волн — отсюда гипотеза об эфире. Если пространство наполнено эфиром, можно заметить и измерить движение Земли сквозь эфир при вращении вокруг Солнца. Майкельсон и Морли провели эксперимент для измерения такого движения. Они использовали инструмент под названием интерферометр, который в некотором роде сталкивает друг с другом два световых луча, один из которых должен проходить через предполагаемый поток эфира, другой — в перпендикулярном ему направлении. Если бы поток существовал, наблюдалось бы заметное несоответствие между отрезками времени, которые потребовались свету для прохождения двух указанных маршрутов, но Майкельсон и Морли его не обнаружили. Эфира не существовало {11} . Это один из самых знаменитых физических экспериментов «с отрицательным результатом», за который была получена Нобелевская премия. Сегодня нам известно, что свет путешествует, как электромагнитное поле: ему не требуется среда для распространения, и быстрее всего он проходит, по сути, в полном вакууме. Тот же принцип интерференционных волн лежит в основе эксперимента LIGO (описанном в предыдущей главе), хотя упомянутые волны представляют собой гравитационные волны — колебания, возникающие в пространстве и времени при слиянии двух черных дыр. В этом случае длина двух траекторий отличалась бы, так как гравитационные волны изменили бы мерную длину в ходе эксперимента.

Благодаря разработке Эйнштейном ОТО стало ясно, что сила притяжения также не требует участия посторонних веществ — она проявляется в малом масштабе в виде аномалий вокруг обладающих массой объектов в ткани четырехмерного пространственно-временного континуума. В условиях новой и развивающейся интерпретации космоса в 1920-х и 1930-х гг. главным прорывом, как мы видели ранее, стало открытие Хабблом расширяющейся Вселенной, которое стало результатом измерения расстояний до внегалактических туманностей с помощью переменных цефеид — звезд, чьи свойства позволяли найти точные расстояния. Пока Хаббл и остальные измеряли расстояния и скорости галактик, находившихся за пределами нашей собственной Галактики, другие все еще надеялись использовать законы притяжения Ньютона — предполагалось, что они действуют во всем пространстве Вселенной, — для дальнейших шагов и определения массы этих галактик.

Для формирования репутации в научных кругах обычно требуется время, но Хаббл быстро взлетел на вершину. К началу 1940-х гг. он был в зените своей славы в сфере астрономических наблюдений, и его исследования имели непоколебимый авторитет. Между ним и Цвикки шла скрытая борьба, так как оба работали в Калифорнийском технологическом институте и соперничали за одно и то же наблюдательное оборудование. Хаббл всегда получал львиную долю ресурсов и времени работы с телескопом, что, понятное дело, не приносило радости Цвикки. Конечно, еще не были разработаны инструменты и технологии, которые бы позволили производить более точные измерения и поставили под сомнение значение постоянной Хаббла. Итак, ввиду радикальности и абстрактности предположения Цвикки о dunkle materie оно не стало поводом для пересмотра работы Хаббла. На самом деле Цвикки и сам считал свое обоснование темной материи неубедительным и сохранял некоторый скепсис — как и Хаббл в случае с расширяющейся Вселенной. Даже в 1957 г. Цвикки все еще признавал: «Не совсем ясно, как должны быть в итоге истолкованы эти невероятные результаты [наблюдений в созвездии Волосы Вероники]». Было непросто принять всерьез идею еще об одной темной, неуловимой и невидимой сущности — даже для того, кто ее и предложил {12} . Как мы уже видели, сами авторы радикальных научных идей зачастую скрепя сердце примиряются с собственными теориями или их выводами. Далеко идущие последствия таких идей обычно являются причиной подобной борьбы.

Хотя работа, опубликованная в 1933 г., осталась без внимания астрономического сообщества, Цвикки не сдавался: он продолжил работать над своей идеей. Ученый понял, что, если в скоплениях содержится большое количество невидимой материи, она должна искривлять пространственно-временной континуум. Если бы световые лучи преодолевали в пространственно-временном континууме аномалию, вызванную гигантским притяжением скопления, они должны были бы отклониться от прямой траектории. Другими словами, скопление играло бы роль оптической линзы, отклоняя и собирая световые лучи. Цвикки называл такие массивные скопления гравитационными линзами. В работе, изданной в 1937 г., он вновь привел аргументацию существования темной материи, измеряя отклонение света около скоплений и отмечая, что это явление — неизбежное следствие большого количества темной материи в скоплениях, но оборудование того времени было не способно его выявить {13} .