1.1. Невидимые яблоки Ньютона
Начнем с небольшого вступления, посвященного понятиям темной материи и темной энергии. Для этого мы прокрадемся в английский яблоневый сад одного из величайших физиков в истории.
Вы узнаете его по парику-облаку с завитками, белым чулкам и одержимости алхимией и мистицизмом. Но прежде всего британец Исаак Ньютон (1642–1727) был величайшим на свете математиком и физиком. Он, например, открыл закон всемирного тяготения, согласно которому сила, притягивающая нас к Земле, — это та же сила, что заставляет Луну обращаться вокруг Земли, а Землю — вокруг Солнца. Сила тяжести играет ключевую роль в охоте на темную материю и темную энергию.
Вы же слышали историю про Ньютона и яблоко? Про то, как сила тяжести сама открылась ученому, когда тот сидел под деревом и яблоко упало ему на голову? Этот миф, конечно, слишком хорош, красив и прост, чтобы быть правдой. Но Исаак Ньютон, несомненно, проводил много времени в яблоневом саду, да и сам, можно сказать, всячески поддерживал эту версию. Друг Ньютона и его первый биограф Уильям Стьюкли впоследствии так описывает одну из встреч с ученым: «…Мы прогуливались в саду и пили чай в тени яблони, только он и я. Он упомянул, что в такой же обстановке задумался и о понятии гравитации. „Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?“ — пришло ему как-то в голову, когда прямо перед ним упало яблоко».
Здесь Ньютон сам упоминает яблоко, хотя на голову ему ничего не падало, разве что в переносном смысле. С яблоком или без, Ньютон обращает внимание на важную характеристику яблок или любой другой материи: они падают вниз — прямо вниз. Но почему? Вот что рассказывает Стьюкли: «…наверняка их притягивает Земля. Должно быть, в материи есть какая-то притягивающая сила». Таким образом, если материя притягивает материю, то это должно быть пропорционально множеству. Следовательно, яблоко притягивается к Земле так же, как Земля притягивается к яблоку. Земля притягивает яблоко, а яблоко — Землю. Чем больше масса, тем сильнее притяжение. Впрочем, проведем сначала небольшой мысленный эксперимент. Представим, что яблоко состояло из темной материи. Что бы тогда увидел Ньютон?
Ну, во-первых, яблоко из темной материи было бы невидимым. Ну ладно, представим ради эксперимента, что Ньютон вытащил из белых кудрей своего парика волшебные очки от невидимости. Что бы он увидел? Уж точно ничего похожего на яблоко. Обычное яблоко связывает в себе атомы и молекулы, они составляют его, склеиваются друг с другом, образуя форму яблока. У темной материи формы нет. Если бы нам удалось создать комок темной материи, как яблоко, например, то это яблоко сразу же потеряло бы форму из-за разлетающихся, разбегающихся, как школьники в парке развлечений, частиц. Странное дело, да.
Но что, если нам все же удалось бы сохранить форму яблока из темной материи? Что произошло бы? Яблоко бы упало на землю благодаря силе тяжести точно так же, как и обычное яблоко! Так что, хотя темная материя невидима и у нее нет формы, это все же материя, а значит, у нее есть масса и она сколько-то да весит. И если темная материя сколько-то да весит, она может притягивать другую материю и притягиваться сама, следуя все тому же закону всемирного тяготения, что и обычные яблоки.
Таким образом, яблоко из темной материи упадет на землю. Наш друг Ньютон в белых чулках и волшебных очках от невидимости наблюдает, ничуть не удивляясь, как падает яблоко. А потом ученого ждет сюрприз: достигнув земли, яблоко не останавливается, в отличие от обычного, а продолжает стремиться вниз, к центру Земли. Озадаченный ученый долго сидит и почесывает одетую в парик голову. Но вот через полтора часа после исчезновения яблоко появляется снова.
(Согласно последним данным, это происходит примерно через 70 минут. Примечание научного редактора.)
Оно выпрыгивает в воздух из земли. Однако сила тяжести затормаживает яблоко, и вскоре оно поворачивает обратно к земле. И таким образом яблоко из темной материи продолжает с определенной периодичностью исчезать и появляться перед Ньютоном. Каждый раз перед тем, как выскочить из-под земли в саду Ньютона, оно доходит до центра Земли и выныривает с другой стороны.
Ньютон в очках от невидимости с удивлением наблюдает, как яблоко из темной материи возвращается обратно, совершив путешествие сквозь Землю.
Этот эксперимент иллюстрирует ключевые характеристики темной материи:
Темная материя невидима.
Темная материя не имеет формы.
У темной материи есть масса, и благодаря силе тяжести темная материя подвергается такому же влиянию, как и обычная материя.
Темная материя не сталкивается ни с обычной материей, ни с другими темными материями. И этого невидимого, неосязаемого вещества во Вселенной очень много. Так много, что на каждый килограмм обычной материи приходится пять килограммов темной материи. Однако видимая и темная материя вместе составляют лишь 30 процентов нашей Вселенной: пять процентов — обычная материя и 25 процентов — темная материя. Остальные 70 процентов составляет то, что мы называем темной энергией. Что же это такое?
Содержание Вселенной. Все, что мы видим, относится к узкому кусочку пирога с обычной материей.
Мы возвращаемся назад в яблоневый сад, но пусть на этот раз яблоко состоит из темной энергии. Что произойдет тогда? Яблоко опять было бы невидимым, и, подобно яблоку из темной материи, яблоко из темной энергии не имело бы формы и не сталкивалось бы с обычной материей. А вот что с силой тяжести? Упало бы яблоко из темной энергии вниз так же, как яблоко из темной материи? Нет. Яблоко бы упало, но вверх.
Для темной энергии характерна отталкивающая гравитация. То, что гравитация может быть как отталкивающей, так и притягивающей, — факт не очень широко известный. Большинство из нас видели, как, в зависимости от положения, притягиваются или отталкиваются друг от друга два магнита. Но отталкивающая гравитация — это совсем не то, что мы наблюдаем в обычной жизни. Тем не менее большинство астрономов считают, что 70 процентов нашей Вселенной состоит из отталкивающей темной энергии.
Тогда откуда же мы о ней знаем? Вселенная — это то место, где расширяются темная материя и темная энергия. И перед тем, как узнать о них больше, стоит устроить экскурсию по Вселенной, понять, как она образовалась, и составить представление о ее размерах.
1.2. Небесная иерархия
У большинства из нас имеются представления о размерах Земли. Поездка от Осло до Тронхейма на машине занимает примерно семь часов, и такое расстояние составляет где-то одну сотую от длины экватора Земли. Таким образом, путешествие вокруг Земли с такой же скоростью займет месяц без остановок. А до Луны — почти год. То есть время в пути до нашего ближайшего астрономического соседа примерно равно затянувшемуся отпуску и неторопливому путешествию на машине.
