7 загадок Вселенной и почему они не решены

За последнее десятилетие мы сфотографировали черные дыры, заглянули в самое сердце атомов и оглянулись на рождение Вселенной. И все же в нашем понимании Вселенной и законов, управляющих ею, есть огромные пробелы. Это загадки, которые будут беспокоить физиков и астрономов в течение следующего десятилетия и в будущем. 

«Почему есть что-то, а не ничего?» Вначале, согласно стандартной картине космологии, был «инфляционный вакуум». Он обладал сверхвысокой плотностью энергии и отталкивающей гравитацией, заставляя его расширяться. Чем его было больше, тем сильнее становилось отталкивание и тем быстрее он расширялся. Как и все «квантовые», этот вакуум был непредсказуемым. В случайных местах он превращался в обычный повседневный вакуум. Колоссальная энергия инфляционного вакуума должна была куда-то уйти. И он пошел на создание материи и нагрев ее до невероятно высокой температуры — на создание больших взрывов. Наша Вселенная — всего лишь один такой пузырь Большого взрыва в постоянно расширяющемся инфляционном вакууме. Примечательно, что весь этот процесс мог начаться с инфляционного вакуума с массой, эквивалентной мешку сахара. И, что удобно, законы физики, в частности квантовая физика, позволяют такой материи возникать из ничего. Конечно, теперь возникает следующий очевидный вопрос: откуда взялись законы физики? 

В 1918 году немецкая математик Эмми Нётер пролила свет на это. Она обнаружила, что великие законы сохранения вещества являются всего лишь следствием глубокой симметрии пространства и времени — вещей, которые остаются неизменными, если наша точка зрения меняется. Поразительным свойством таких симметрий является то, что они также являются симметриями пустоты — совершенно пустой Вселенной. Так что, возможно, переход от ничего к чему-то не был таким уж большим делом. Возможно, это был просто переход от ничего к «структурированному» ничему нашей заполненной галактиками Вселенной. Но почему произошла перемена? Американский физик Виктор Стенджер указал на тот факт, что при понижении температуры вода превращается в структурированную воду или лед, потому что лед более устойчив. Может быть, предположил он, Вселенная превратилась из ничего в «ничто структурированное», потому что структурированное ничто является более стабильным? 

«Почему в сердце каждой галактики есть чудовищная черная дыра?» В нашей Вселенной около двух триллионов галактик, и, насколько нам известно, почти каждая содержит центральную сверхмассивную черную дыру. Они варьируются по размеру от монстров, весящих почти в 50 миллиардов раз больше массы Солнца, до тиддлера с массой 4,3 миллиона солнечных величин, известного как Стрелец A * в ядре нашего Млечного Пути (одна солнечная масса = масса нашего Солнца). Но как они туда попали — одна из величайших неразгаданных загадок космологии. Мы знаем, что звездная черная дыра образуется в результате взрыва сверхновой, в результате которого разрушается ядро ​​звезды. Но никто не знает, как образуется сверхмассивная черная дыра. На протяжении большей части космической истории центры галактик находились там, где большое количество материи заключено в небольшом объеме. Возможно, сверхмассивные черные дыры образуются в плотном звездном скоплении из звездных черных дыр, которые многократно сливаются друг с другом. Предварительные доказательства этого получены в результате слияния двух черных дыр, обнаруженных при обнаружении гравитационных волн. Одна дыра была слишком большой, чтобы быть реликвией сверхновой звезды, поэтому она могла образоваться в результате более раннего слияния.

Альтернативный способ образования сверхмассивной черной дыры — это прямое сжатие плотного облака газа. Возможно, они образовались в результате коллапса облаков и слияния черных дыр. Также возможно, что в результате Большого взрыва образовались сверхмассивные черные дыры. Это могло бы дать новый ответ на космический вопрос о курице и яйце: что появилось раньше — галактики или сверхмассивные черные дыры? Вместо того, чтобы сначала формировались галактики, а затем порождали таких монстров, сначала сформируются сверхмассивные черные дыры, которые послужат зачатками, вокруг которых образовались звездные галактики. Несмотря на свою массу, даже самые большие сверхмассивные черные дыры едва ли больше Солнечной системы. Тем не менее, они проецируют свою энергию на миллионы световых лет с помощью противоположно направленных сверхбыстрых струй материи. Там, где такие струи быстрые — во внутренних областях галактики — они отгоняют газ и подавляют звездообразование; там, где они замедлились — во внешних регионах — они сжимают газ и запускают звездообразование. Фактически, мощные струи из самых больших дыр, кажется, контролируют массы образующихся звезд с тенденцией к меньшим и более холодным звездам, таким как наше Солнце. Итак, кто знает, может быть, мы сможем поблагодарить Стрельца A* за наше Солнце, без которого вы, вероятно, не стали бы читать эту страницу.

«Что такое темная материя?» Темная материя не излучает света или излучает слишком мало света, чтобы мы могли его обнаружить. Мы знаем, что он существует, потому что видим влияние его гравитации на видимые звезды и галактики. Например, Млечный Путь не мог бы втянуть достаточно вещества, чтобы образовать свои звезды за 13,82 миллиарда лет после Большого взрыва, если бы не было большого количества невидимой материи, чья дополнительная гравитация ускорила процесс. Спутник Европейского космического агентства Planck обнаружил, что темная материя составляет 26,8% массы-энергии Вселенной по сравнению с 4,5% обычной «атомной» материи. Таким образом, он примерно в шесть раз больше, чем видимые звезды и галактики. Долгое время излюбленными кандидатами на частицы темной материи были слабовзаимодействующие массивные частицы, или вимпы. Но хотя эти частицы соответствуют всем требованиям, они так и не появились на Большом адронном коллайдере недалеко от Женевы в Швейцарии. Популярный кандидат — сверхлегкий «аксион», гипотетическая субатомная частица. Ранговым аутсайдером остаются изначальные черные дыры, оставшиеся после Большого взрыва. Удивительно, но ни один земной эксперимент не обнаружил никаких доказательств существования темной материи, несмотря на десятилетия поисков. Вполне возможно, что в модификации нуждается не наша теория материи, а наша теория гравитации. Или эта темная материя — это не жидкость, состоящая из одной частицы, а сложная, как атомная материя, которую мы видим вокруг нас. Может быть, Вселенная наполнена темными звездами, темными планетами и темной жизнью! 

«Время существует?» «Время — это то, что останавливает все сразу», — сказал американский физик Джон Уиллер. Но время — понятие скользкое. Большая часть того, что мы думаем, что знаем, ложно. Например, мы представляем себе течение времени. Однако для того, чтобы что-то текло, оно должно течь по отношению к чему-то еще, как река течет по отношению к берегу реки. Время течет относительно чего-то другого — второго типа времени? Идея кажется бессмысленной. Скорее всего, течение времени — это иллюзия, созданная нашим мозгом для организации информации, постоянно поступающей через наши органы чувств.У нас также есть сильное чувство общего прошлого, настоящего и будущего. Однако идея общего настоящего нигде не появляется в нашем фундаментальном описании реальности: относительности. То, как именно разделяется время других людей, зависит от того, насколько быстро они движутся относительно вас, или от силы гравитации, которую они испытывают.

Эти эффекты заметны только при относительных скоростях, близких к скорости света, или при сверхсильной гравитации, поэтому они не очевидны в повседневном мире. Тем не менее, они приводят к идее, что интервал времени одного человека не совпадает с интервалом времени другого человека и что интервал времени одного человека не совпадает с интервалом времени другого. На самом деле это хуже. Пространство и время неразрывно связаны. В нашей Вселенной все события — от Большого взрыва до гибели Вселенной — нанесены на уже существующую четырехмерную карту пространства-времени. На самом деле ничто не «движется» во времени. 

Как писал Эйнштейн после смерти своего друга Микеле Бессо: «Теперь он ушел из этого странного мира немного раньше меня. Это ничего не значит. Такие люди, как мы, верящие в физику, знают, что различие между прошлым, настоящим и будущим только упрямо настойчивая иллюзия». 

Если представить себе расширение Вселенной в обратном направлении, как в фильме в обратном направлении, в самые ранние моменты времени и пространство, и время разорваны на части. Поэтому физики подозревают, что во время Большого взрыва возникло нечто более фундаментальное. Пока никто не знает, что это может быть. 

«Что такое темная энергия?» Она невидима, заполняет все пространство, и его отталкивающая гравитация ускоряет расширение Вселенной. «Темная энергия» была открыта астрофизиками в 1998 году. Они изучали сверхновые типа 1A — звездные взрывы, которые, как считается, высвобождают фиксированное количество энергии и горят со стандартной светимостью, как космическая лампочка мощностью 100 Вт. Проблема заключалась в том, что самые далекие сверхновые были слабее, чем ожидалось. Космическое расширение ускорилось, отталкивая их еще дальше. В то время единственной силой, которая, как считалось, действовала в крупномасштабной Вселенной, была гравитация, которая действует как невидимая паутина между галактиками, тормозя космическое расширение.

Открытие того, что расширение пространства ускоряется, потрясло космологов, которые были вынуждены постулировать существование вещества, на которое приходится поразительные две трети массы-энергии Вселенной. Эта «темная энергия» преодолела гравитацию и установила контроль над Вселенной около пяти миллиардов лет назад. Одна из возможностей состоит в том, что темная энергия — это космологическая постоянная, внутреннее отталкивание пространства. Такое отталкивание могло возникнуть из-за квантовых флуктуаций энергии в вакууме. Однако, когда квантовая теория, наша лучшая теория субмикроскопического мира, применяется к вакууму, теоретики предсказывают, что плотность энергии будет на 10, за которой следуют 120 нулей больше, чем у темной энергии: самое большое расхождение между предсказанием и наблюдением в история науки. 

Возможно, расхождение исчезнет, ​​когда нам, наконец, удастся совместить квантовую теорию с теорией гравитации Эйнштейна. Между тем, могут помочь космические эксперименты. В 2022 году Европейское космическое агентство запустит программу Евклида, которая будет измерять, как темная энергия меняется в зависимости от космического времени, и мы надеемся, что это станет важным ключом к решению самой большой загадки науки. 

«Почему мы не видим никаких признаков пришельцев?» В 1950 году Энрико Ферми, человек, который построил первый ядерный реактор, обедал в столовой лаборатории бомб Лос-Аламоса в Нью-Мексико, когда он внезапно сказал: «Где все?» Все вокруг стола точно знали, что он имел в виду. Спустя десятилетия вопрос Ферми независимо исследовали американские физики Майкл Харт и Фрэнк Типлер. Харт считал, что инопланетяне распространяются по нашему Млечному Пути, а Типлер считал самовоспроизводящиеся машины, которые по прибытии в планетную систему используют ресурсы для создания двух своих копий, которые продолжают путешествие. Оба пришли к выводу, что даже при скромных скоростях полета каждую звезду в Галактике можно будет посетить за долю возраста Млечного Пути. Как понял Ферми, пришельцы должны быть здесь, на Земле. Не похоже. Это стало «парадоксом Ферми». Предложены сотни объяснений. Они включают идеи о том, что мы являемся первым разумом, возникшим в Галактике и поэтому совершенно одиноки, и что мы — детский мир, недоступный для передовых цивилизаций, которые могут отрицательно повлиять на наше развитие.

Более приземленная возможность состоит в том, что здесь нет никакого парадокса, потому что любые признаки посещения в далеком прошлом были бы стерты ветром, дождем и геологическими процессами. Однако недавно группа под руководством доктора Джонатана Кэрролла-Нелленбака из Университета Рочестера, Нью-Йорк, предположила, что наше Солнце могло просто миновать волна внеземного расширения. Остается вопрос, почему мы не видели никаких признаков инопланетян в нашей Галактике, несмотря на поиски с помощью телескопов более полувека. Однако команда Университета штата Пенсильвания во главе с доктором Джейсоном Райтом говорит, что в этом нет ничего загадочного: мы исследовали лишь небольшую часть Галактики, эквивалентную воде в джакузи по сравнению с океанами Земли. Как проницательно заметил Дуглас Адамс в «Автостопом по галактике»: «Космос велик. Вы просто не поверите, насколько он огромен, огромен, невероятно велик». 

«Почему природа утроила свои основные строительные блоки?» Скажем, Lego выпустила версию своих кубиков, в которой каждый кубик был в сотни раз больше стандартного. А потом, скажем, компания запустила другую версию, в которой кирпичи были в тысячи раз больше. Вам будет простительно думать, что компания сошла с ума. Но именно это сделала природа со своими фундаментальными строительными блоками — кварками и лептонами. Нормальная материя состоит всего из двух видов кварков и двух видов лептонов. Но также существует второе «поколение» кварков и лептонов, в котором все частицы идентичны первому, за исключением того, что они в сотни раз тяжелее, и третье поколение, в котором они идентичны, но в тысячи раз тяжелее. Более тяжелые поколения требуют много энергии для создания, поэтому сегодня их редко можно увидеть. Однако вполне вероятно, что они сыграли решающую роль в Большом взрыве. Но почему столь разные массы частиц в каждом поколении? Доктор Стивен Вайнберг, американский физик и лауреат Нобелевской премии, сделал интересное предположение. Основные строительные блоки материи получают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, невидимой жидкостью, заполняющей все пространство. Вы можете представить себе, как они взаимодействуют с частицей Хиггса, локализованным торосом в этом энергетическом поле. Вайнберг указывает, что частицы, наиболее сильно взаимодействующие с полем Хиггса, в конечном итоге имеют массы, близкие к массе частицы Хиггса, и это частицы не первого, а третьего поколения. Возможно, предполагает Вайнберг, это единственные частицы, которые напрямую взаимодействуют с Хиггсом. Возможно, второе поколение получит свою массу, взаимодействуя с неоткрытой частицей, которая напрямую взаимодействует с Хиггсом. И, возможно, первое поколение получит свое, взаимодействуя со второй неоткрытой частицей, которая взаимодействует с первой. Это похоже на игровую площадку, в которой сообщение передается ряду детей, а то, что передается, все больше отдаляется от того, что было сказано изначально. Возможно, с каждым более низким поколением частицы все больше отдаляются от «ощущения» поля Хиггса, поэтому его массово-генерирующий эффект постоянно ослабляется. Вайнберг не знает в деталях, как мог работать такой механизм. Но другие физики считают, что он, возможно, подсказал, как решить загадку, состоящую из тройных строительных блоков природы.

Источник: BBC Science Focus magazine