И это не шутка
Есть вопрос, который кажется настолько простым, что мы обычно даже не задумываемся над ним: из чего сделана Вселенная?
Казалось бы, ответ давно известен. Вокруг нас есть вещество. Из него состоят камни, вода, воздух, деревья, планеты и звёзды. Вещество состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из электронов и атомных ядер. В ядрах находятся протоны и нейтроны, а внутри них — кварки. Физики изучили эти частицы, построили огромные ускорители, проверили огромное количество предсказаний и создали Стандартную модель физики частиц. Она с впечатляющей точностью описывает известные элементарные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий.
То есть на первый взгляд можно решить, что с составом Вселенной всё более-менее понятно. Осталось только продолжать экспериментировать и находить детали.
А теперь самое интересное.
Вся эта привычная нам материя — всё, что входит в состав Земли, Солнца, других звёзд, галактик и наших собственных тел, — составляет примерно пять процентов содержимого Вселенной. Остальные примерно 95 процентов приходятся на две вещи, природу которых физики до сих пор не установили. Около 27 процентов составляет тёмная материя, а около 68 процентов — тёмная энергия. Эти цифры могут немного меняться в зависимости от используемых данных и модели, но порядок величин именно такой.
И вот здесь возникает странная ситуация. Мы умеем с огромной точностью рассчитывать движение планет, строить изображения далёких галактик, предсказывать результаты столкновений частиц и даже определять химический состав звёзд, находящихся за десятки тысяч световых лет. Но когда мы задаём самый фундаментальный вопрос — что составляет большую часть Вселенной, — ответ становится гораздо менее уверенным.
Причём тёмная материя и тёмная энергия — это не два красивых названия для одного неизвестного вещества.
С тёмной материей ситуация выглядит примерно так. Астрономы наблюдают, как движутся звёзды внутри галактик, как ведут себя галактики в скоплениях и как гравитация искривляет свет далёких объектов. И снова и снова получается одна и та же проблема: видимого вещества недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое гравитационное воздействие. Если считать только звёзды, газ и другие известные формы материи, галактики и крупномасштабная структура Вселенной должны были бы вести себя иначе.
Поэтому физики предполагают существование дополнительного компонента — тёмной материи. Она не светится и практически не взаимодействует с электромагнитным излучением, поэтому напрямую увидеть её обычным телескопом невозможно. Но её гравитационное влияние проявляется. Мы видим не сам объект, а то, что он делает с окружающим миром.
Это очень важное различие.
Когда астроном говорит, что тёмная материя существует, это не означает, что где-то уже нашли контейнер с неизвестными частицами и подписали его «тёмная материя». Пока произошло другое: независимые наблюдения показывают эффекты, которые хорошо объясняются дополнительной невидимой массой. Именно поэтому физики ищут частицы, из которых могла бы состоять тёмная материя, но окончательного обнаружения такой частицы пока нет. Среди рассматриваемых вариантов есть, например, аксионы и другие гипотетические частицы.
С тёмной энергией всё ещё страннее.
Мы знаем, что расширение Вселенной не просто продолжается. Наблюдения показывают, что в поздней истории Вселенной её расширение стало ускоряться. Для описания этого эффекта в современной космологии используется тёмная энергия. Но название здесь может обмануть. Мы не знаем, что это такое в физическом смысле.
Это может быть свойство самого пространства, связанное с космологической постоянной. Может оказаться, что существует некое динамическое поле. Не исключаются и варианты, в которых проблема связана с тем, что наше описание гравитации на космологических масштабах требует изменений. Физики рассматривают разные возможности, но единого подтверждённого ответа нет.
Получается почти абсурдная картина. Мы можем достаточно уверенно сказать, сколько во Вселенной тёмной материи и тёмной энергии должно быть в рамках принятой космологической модели. Мы можем измерять их влияние. Мы можем строить карты распределения тёмной материи по космосу. Мы можем исследовать историю расширения Вселенной.
Но вопрос «что это такое?» остаётся открытым.
И здесь возникает ещё более глубокая проблема. Даже те пять процентов Вселенной, которые мы называем обычной материей, не так просты, как кажется.
В начале XX века физики думали, что атом является неделимой частицей материи. Затем выяснилось, что атом имеет сложную структуру. Потом оказалось, что протон и нейтрон тоже не элементарны. Внутри них обнаружились кварки. Сегодня электрон и кварки считаются элементарными частицами в рамках Стандартной модели. Но это не означает, что физика доказала, будто они являются последним возможным уровнем реальности. Это означает лишь, что на доступных нам экспериментальных масштабах они ведут себя как фундаментальные объекты.
И тут стоит остановиться на одном принципиальном моменте.
Физика вообще не обязана отвечать на вопрос «из чего сделана вещь» так, как отвечает на него бытовое мышление.
Если спросить, из чего сделан стол, мы можем сказать: из дерева. Из чего состоит дерево? Из клеток. Клетки — из молекул. Молекулы — из атомов. А дальше начинается уже совсем другой мир. Электроны не являются маленькими металлическими шариками, вращающимися вокруг крошечного ядра. Кварки внутри протона тоже не похожи на маленькие детали конструктора.
Современная физика описывает фундаментальные частицы прежде всего через их свойства и взаимодействия. И в квантовой теории привычная картина «маленьких кусочков вещества» постепенно перестаёт работать. То, что мы называем частицей, связано с квантовыми полями, а её поведение описывается математической теорией, которая прекрасно проверяется экспериментами.
Это означает, что даже на уровне тех пяти процентов, которые мы считаем «известной материей», у нас нет простой картинки, которую можно было бы мысленно уменьшать бесконечно.
Но самая неприятная часть истории находится ещё дальше.
Стандартная модель чрезвычайно успешна. Она объясняет огромное количество экспериментальных результатов и позволяет делать очень точные предсказания. Однако она не является теорией всего. В ней нет полноценного квантового описания гравитации, а тёмная материя и тёмная энергия остаются за пределами нашего полного понимания. Кроме того, сама модель оставляет без ответа целый ряд фундаментальных вопросов — например, почему во Вселенной именно такой набор частиц и почему их массы имеют именно такие значения.
То есть проблема не в том, что физики «ничего не знают».
Наоборот. Мы знаем невероятно много.
Мы знаем, как ведут себя электроны. Знаем, как кварки объединяются в протоны и нейтроны. Знаем, как свет взаимодействует с веществом. Знаем, как рассчитывать процессы в ускорителях частиц с потрясающей точностью. Мы умеем описывать образование химических элементов в звёздах и ранней Вселенной. Мы можем восстановить многие этапы космической истории по свету, который летел к нам миллиарды лет.
Но чем дальше мы отходим от повседневного мира, тем сильнее меняется характер нашего знания. В какой-то момент мы уже не можем показать пальцем на объект и сказать: «Вот он, это и есть 27 процентов Вселенной».
Мы видим последствия.
Именно поэтому заголовок этой статьи можно сформулировать ещё жёстче: физики не знают, из чего сделана большая часть Вселенной.
Это не означает, что учёные ошиблись и Вселенная на самом деле устроена совершенно иначе. Не означает и того, что тёмная материя или тёмная энергия обязательно окажутся какой-то одной конкретной субстанцией. Возможно, будущие эксперименты обнаружат новые частицы. Возможно, выяснится, что одна из нынешних гипотез была верной. А возможно, нас ждёт более серьёзная перестройка фундаментальной физики.
История науки уже показывала, что такое возможно. Когда-то атом считался последним кирпичиком вещества. Потом оказалось, что это только начало. Но есть важная разница между той ситуацией и сегодняшней: теперь мы заранее знаем, что существующая картина неполна.
И, пожалуй, именно это мне кажется самым интересным.
Наука часто воспринимается как способ получить окончательные ответы. На самом деле хорошая физика делает ещё одну вещь — она позволяет достаточно точно понять, где заканчиваются наши знания.
Сегодня мы способны описать Вселенную настолько хорошо, что можем оценить долю её компонентов с высокой точностью. И одновременно мы вынуждены честно признать: примерно 95 процентов этого космического бюджета связано с сущностями, природу которых мы пока не понимаем.
В этом нет провала физики.
Наоборот. Возможно, это один из самых захватывающих моментов в её истории.
Потому что если завтра мы действительно узнаем, что такое тёмная материя и тёмная энергия, то окажется, что мы открыли не очередную маленькую деталь уже известной картины. Мы, возможно, впервые увидим большую часть реальности, которая всё это время находилась прямо перед нами — проявляя себя гравитацией и расширением пространства, но оставаясь неизвестной по своей природе.
И тогда вполне может оказаться, что привычная нам материя — атомы, звёзды, планеты и мы сами — представляет собой не основу Вселенной, а лишь небольшую видимую часть гораздо более сложной физической реальности.
Фото на заставке: галактики Мышки NGC 4676 / @NASA