Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием некоей скрытой массы Метагалактики, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и астрофизиков не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи.

В этой полемике всегда активно участвовал и Хокинг. Он широко обсуждал парадоксы вращения гигантских спиральных галактик. Вместе с бывшим королевским астрономом Мартином Рисом он написал работу о далеких галактиках. В ней представлены «звездные острова» Метагалактики в образе своеобразных галактических центрифуг, выбрасывающих массу легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некоего пространственного галактического твердого тела, «цементируемого» гравитацией неизвестной материи.

После исследований Риса и Хокинга среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики, как осколки Большого взрыва, не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Состав Метагалактики

Незадолго до ухода Хокинг писал, что несмотря на очень большое количество исследований, сказать что-то более-менее определенное о материальной основе нашего мира очень трудно. Ведь «скрытая масса» очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, взаимодействующей гравитационным образом с обычной материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

С этой точки зрения все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего Мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных гравитационных зерен. Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного Мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, превращая в зародыши будущих галактик.

Сегодня большинство астрофизиков сходится на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, а склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название — «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон облачена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации.

Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку», и частицы залетают на Землю реже.

Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом и состоит смысл своеобразного галактического парадокса, долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.

Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик. Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад и в результате взаимного проникновения отдельных галактик стали пронизывать друг друга со скоростью около 5000 км / c, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.

Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны. Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще участвовать в электромагнитном взаимодействии, им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер и, конечно, гравитационное.