Вселенная, вышедшая из‑под контроля

 

Еще одним примером необъяснимого несовпадения модели и реальности является темная энергия. Эта концепция призвана объяснить большие странности, которые происходят в ходе расширения Вселенной. Следовало бы ожидать, что расширение Вселенной будет понемногу замедляться. И дело тут не в трении, которое замедляет движение всех предметов в привычном нам мире, а в гравитации. На все объекты во Вселенной действует сила тяготения, которая стремится притянуть их друг к другу. Эта сила и должна замедлять процесс расширения.

Тем более удивительным оказался для ученых тот факт, что расширение ускоряется! Вселенная не просто становится больше; процесс ее роста происходит все быстрее и быстрее. Если это действительно так (хотя, возможно, все дело просто в очередной ошибке измерений), то имеется какая‑то сила, которая ускоряет расширение. Она должна обладать колоссальной энергией. Именно эту энергию и назвали темной.

Эти два темных компонента составляют подавляющую часть Вселенной. С учетом того, что материя и энергия являются разными формами одной и той же сущности, можно утверждать, что примерно 70 процентов Вселенной должна составлять темная энергия, ускоряющая ее расширение, около 25 процентов приходятся на темную материю, и остается всего 5 процентов на обычную материю (из которой состоит тело человека) и привычный нам свет. Таким образом, 95 процентов Вселенной нам совершенно не известны!

 

Диаграмма, демонстрирующая, насколько незначительна доля обычной материи

 

Такое положение вещей может повергнуть в уныние. Но мы все же не настолько невежественны. В конце концов, мы уже знаем о природе материи и света намного больше, чем всего 100 лет назад. И все же нам предстоит узнать еще очень многое. Когда Макс Планк, который впоследствии стал одним из основателей квантовой теории, учился в университете в конце XIX века, перед ним стоял выбор – стать ученым или музыкантом. Профессор физики посоветовал ему посвятить себя музыке, так как в науке уже не оставалось почти ничего непознанного. Как же он был неправ!

 

Далекие квазары

 

Продолжая тему о вещах, которые нам пока еще не вполне понятны, необходимо упомянуть, что если галактика Андромеда является самым удаленным от нас объектом, который можно видеть невооруженным глазом, то самые далекие светила, которые можно обнаружить с помощью телескопа, – это квазары. Когда их впервые открыли, то поначалу возникло предположение, что квазары (квазизвездные объекты) представляют собой просто далекие звезды, но спектр приходящего от них света был очень необычным – слишком красным.

Как уже было сказано, если объекты в космосе движутся в нашем направлении, энергия их света возрастает и происходит голубое смещение. Если же они движутся от нас, то энергия снижается, что выражается в красном смещении. В связи с расширением Вселенной, чем дальше от нас находится объект, тем сильнее будет заметно красное смещение. Первый квазар, изученный в 1960‑е годы, оказался самым далеким от нас (на тот момент) светилом. Однако его яркость была сопоставима со звездой из нашей галактики.

Проведя дополнительные исследования с помощью более совершенных инструментов, мы обнаружили, что квазары излучают столько же света, сколько целая галактика, и при этом их размеры не превышают размеров Солнечной системы. Для многих квазаров характерны выбросы горячего вещества и излучения в виде струй полярной направленности. Похоже, что квазары представляют собой зарождающиеся галактики. У большинства галактик в центре имеются сверхмассивные черные дыры. В зрелых галактиках типа нашего Млечного Пути черные дыры уже поглотили почти все близлежащее вещество, но в молодых они все еще собирают находящуюся поблизости материю.

Считается, что именно эта материя, разгоняющаяся почти до световых скоростей за счет притяжения черной дыры, придает квазарам такую яркость. Что касается струйных выбросов, то существует вероятность, что вокруг черных дыр имеется сфера из обломков космических тел, вращающихся с такой скоростью, что это не дает им упасть в черную дыру. На полюсах же остается незакрытое пространство, через которое материя выбрасывается в космос. Такое объяснение во многом является спекулятивным, так как нет никаких надежных свидетельств, которые могли бы его подтвердить.

 

Мифы о черных дырах

 

Если о квазарах широкая публика мало что слышала, то черные дыры в особом представлении не нуждаются. Термин «черная дыра» вошел в наш язык как воплощение чего‑то бездонного и прожорливого, от чего невозможно спастись. Черные дыры стали неотъемлемой частью мифологии космоса, символизируя темную и злобную силу.

Но принимать на веру все, что вы слышите о черных дырах, не стоит. Во‑первых, их, может быть, и нет. Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что они могут существовать, и у нас есть достаточно надежные косвенные свидетельства того, что так оно и есть, но в принципе их может и не быть, а все полученные доказательства могут оказаться следствием какого‑то другого феномена.

Черные дыры считают чем‑то вроде универсального пылесоса, который всасывает все, что только попадает в зону его досягаемости. Определенная доля истины в этом образе есть. Все звезды очищают пространство вокруг себя за счет мощного гравитационного поля. Однако черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды, которая не смогла совладать с собственным полем тяготения, обладает такой же гравитацией, как и породившая ее звезда. (Кстати, не стоит переживать по поводу того, что Солнце тоже может стать черной дырой. Оно для этого недостаточно массивно.)

Если бы вы находились на орбите вокруг звезды в тот момент, когда в ней происходит коллапс и она превращается в черную дыру, ваша орбита ничуть не изменилась бы и вас бы никуда не втянуло, так как масса звезды не изменилась.

Однако черная дыра намного меньше по размерам, чем звезда, обладающая той же массой. Теоретически черная дыра является точкой нулевого размера, или сингулярностью, однако, как и в случае с Большим взрывом, теория в этих обстоятельствах пасует, и мы не знаем, что происходит на самом деле. Видимым размером черной дыры является так называемый горизонт событий – сфера, диаметр которой намного меньше, чем размеры породившей ее звезды. Она является точкой невозврата. После прохождения горизонта событий притяжение становится настолько сильным, что вырваться из черной дыры не может ничто, даже свет.

 

Как возникает черная дыра

 

Радиус звезды, из которой может сформироваться черная дыра, должен составлять около 1,5 миллиона километров, однако после ее коллапса радиус горизонта событий будет не больше 15 километров. Поскольку к нему можно подойти намного ближе, чем к обычной звезде, гравитация будет во много раз больше, ведь сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом, если дистанция сокращается вдвое, то сила тяготения увеличивается в четыре раза. Объекты, притягиваемые к черной дыре, по мере приближения к горизонту событий будут достигать почти световой скорости.

Черная дыра заставляет также по‑новому задуматься о приливной силе. Эта сила образуется за счет разных значений гравитации в различных точках пространства. Приближаясь к черной дыре, вы будете испытывать на себе колоссальные приливные силы. Ваше тело станет объектом уникального гравитационного эксперимента.

Представьте, что вы в космическом скафандре приближаетесь к черной звезде ногами вперед. Ваши ноги, находящиеся ближе к черной дыре, будут испытывать значительно большее притяжение, чем голова. Эта разность сил, направленная вдоль оси тела, вытянет вас, превратив в длинную тонкую макаронину. Этот процесс так и называется – «спагеттификация» (вопреки бытующим представлениям, у ученых иногда есть чувство юмора).

Правда, такой смертельный трюк необязательно произойдет до пересечения горизонта событий. Вы можете достигнуть его еще живым, так как начало процесса спагеттификации зависит от размеров черной дыры. Сверхмассивная черная дыра вроде тех, что встречаются в центрах галактик, не дает такого резкого увеличения гравитации. Вы можете даже проскочить горизонт событий, не заметив этого. Но по мере приближения к центру черной дыры ваше тело все равно вытянет в струну, если, конечно, вы к тому времени переживете смертельную дозу радиации, вызванной быстрым движением вещества к центру.

Я уже говорил, что центр черной дыры, представляющий собой сингулярность, теоретически не имеет размеров. И в этом заключается еще одна странность черных дыр. Сингулярность с научной точки зрения – это точка не в пространстве, а во времени. Общая теория относительности, предсказывающая возможность существования черных дыр, утверждает, что гравитация искривляет как пространство, так и время. В сердце черной дыры время искривлено до предела. Миновав горизонт событий, вы устремляетесь к точке во времени, а не в пространстве. В этот момент время для вас перестает существовать.

Черные дыры и квазары относятся к числу самых экзотических обитателей Вселенной, но в ней есть и много более знакомых объектов, которые непрерывно направляют к вам потоки фотонов, когда вы вглядываетесь в ночное небо. Мы уже упоминали о галактиках – огромных скоплениях звезд. В одной галактике может насчитываться от нескольких миллиардов до 100 триллионов звезд, а мы полагаем, что во Вселенной имеется примерно 150 миллиардов галактик. Она поистине необъятна.

В нашей галактике – Млечном Пути – насчитывается около 300 миллиардов звезд. Ясной ночью мы можем видеть их как светлую размытую полосу в черном небе. Но значительно лучше видны ближние к нам звезды и планеты нашей Солнечной системы. Невооруженным глазом мы можем разглядеть пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, причем Венера и Юпитер являются самыми яркими светилами ночного неба после Луны. Правда, фотоны, доходящие к нам от планет, вынуждены проделывать двойной путь. Сначала они доходят до планет от главного источника света – Солнца – и только потом возвращаются к Земле.

 

Солнечный свет не вечен

 

Лишь глядя на Солнце (не в буквальном смысле, конечно, так как это повредит вашим глазам), можно понять, какое чудо представляют собой миллиарды миллиардов звезд во Вселенной. На самом деле ничего особенного в Солнце нет. Это середнячок и по размерам, и по яркости. Возраст у него тоже средний: ему 4,5 миллиарда лет, и оно прожило уже примерно половину отпущенного срока.

Солнце дает нам исключительно белый свет (на самом деле белый – это не цвет, а смесь всех видимых цветов). И все же, рисуя Солнце, мы обычно изображаем его желтым. А на закате, садясь в дымку, оно выглядит вообще красным. Похоже, мы немного запутались, но все дело опять‑таки в фотонах света, взаимодействующих с материей.

В данном случае материей является воздух. Многие фотоны, идущие от Солнца, попадающие в атмосферу, пронизывают ее насквозь, не встречая препятствий, но достаточное количество поглощается молекулами газов в воздухе, а затем повторно излучается. Если при этом происходит смена направления, такое явление называется рассеиванием. Данный процесс происходит избирательно: сильнее всего рассеиваются лучи голубого участка спектра. Именно поэтому дневное небо имеет голубой цвет. Чем ближе мы к красной части спектра, тем слабее рассеивание.

Если бы солнечный свет состоял из всех цветов в равной степени, небо было бы фиолетовым, так как из всех видимых цветов фиолетовый рассеивается сильнее всего, но в солнечном свете голубых лучей намного больше, чем фиолетовых, поэтому голубой является доминирующим. Но если из изначально белого света забрать часть голубых фотонов, оставшиеся приобретают желтоватый оттенок. Именно таким мы обычно и воспринимаем Солнце. А когда солнечным лучам приходится проделывать в земной атмосфере значительно более долгий путь (это происходит на закате, когда лучи проходят по касательной по отношению к поверхности планеты), то они становятся почти красными.

Может быть, Солнце ничем не выделяется среди других звезд, но среди небесных тел Солнечной системы это настоящий гигант. Диаметром 1,4 миллиона километров, оно превосходит Землю в 100 раз по размеру и более чем в 330 тысяч раз по весу. Почти 99 процентов всей массы вещества Солнечной системы сосредоточено в Солнце. Кроме того, всем известно, что оно очень горячее. Если на его поверхности царит относительно «прохладная» температура 5500 °С, то в центре она приближается к 10 000 000 °С.

 

Источник жизни

 

Если уж мы решили использовать свое тело как инструмент для познания научных истин, то важно понимать, что без Солнца его существование было бы невозможным. Во‑первых, вы не могли бы ничего видеть, но это еще не самое главное, что дает нам солнечный свет. От Солнца Земля получает основную часть тепла. Правда, некоторое количество тепла поступает из ядра планеты, но подавляющая часть приходит с солнечным светом. Без этого постоянного источника энергии наша планета была бы слишком холодной для жизни.

Более того, без Солнца мы не могли бы дышать. Кислород, необходимый для дыхания, дают нам растения. Они производят его как побочный продукт фотосинтеза. Световая энергия используется в фотосинтезе для создания различных химических веществ (главным образом углеводов), которые служат топливом для всех форм жизни. Процесс фотосинтеза гораздо сложнее, чем фотоэлектрический эффект, используемый в солнечных батареях, где свет выбивает электроны из атомов специально подобранных материалов, давая в результате электроэнергию. Химические процессы фотосинтеза не только сложны, но и невероятно быстры. Некоторые реакции происходят быстрее, чем за 1/1 000 000 000 000 секунды.

При поглощении света растениями энергия электронов накапливается в специальных пигментах вроде хлорофилла, который придает растениям зеленую окраску. Это напоминает фотоэлектрический эффект, хотя на самом деле рассматриваемый процесс намного сложнее. Энергия света передается в химической форме в центр фотосинтеза, где происходят фундаментальные химические реакции, в ходе которых вырабатывается кислород, которым мы дышим. Способность производить кислород у разных растений неодинакова. Хотя мы часто слышим, что тропические леса называют легкими планеты, самый большой вклад в производство кислорода вносит океанический планктон.

Животные (в том числе и мы) не обладают способностью трансформировать световую энергию в питательные вещества. Мы вынуждены использовать промежуточные звенья, поедая либо растения, либо других животных (которые, в свою очередь, тоже питаются либо растениями, либо другими животными). Тем не менее источником практически любой жизни прямо или опосредованно является Солнце.

Оно дает нам не только тепло, кислород и пищу, но и подавляющее большинство всех используемых источников энергии. Залежи ископаемого топлива сформировались из растений, которые когда‑то выросли благодаря Солнцу. То, что солнечная энергия исходит от Солнца, очевидно, но то же самое можно сказать и об энергии ветра, поскольку все климатические явления происходят из‑за его непосредственного влияния. Единственными исключениями являются геотермальная и атомная энергия.